基于AD9951射频正弦波信号发生器的设计

文章摘要：基于AD9951射频正弦波信号发生器的设计现代通信技术、雷达技术、电子测量以及一些光电应用领域都要求高精度、高稳定度、高分辨率的射频正弦波信号。有别于传统的模拟射频振荡器方式，直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)有着显著的优点：频率稳定度高、频率精度高、易于控制。 2 系统工作原理 直接数字合成技术(DDS)是一种有别于传统模拟正弦信号发生技术的全新数字控制技术，其基本原理如图1所示。 正弦波信号y=sinωt是一个非线性函数。要直接合成一个正弦波信号，首先应将函数y=sinx进行数字量化，然后以x为地址，以y为量化数据，依次存人波形存储

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基于AD9951射频正弦波信号发生器的设计

现代通信技术、雷达技术、电子测量以及一些光电应用领域都要求高精度、高稳定度、高分辨率的射频正弦波信号。有别于传统的模拟射频振荡器方式，直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)有着显著的优点：频率稳定度高、频率精度高、易于控制。

2 系统工作原理
    直接数字合成技术(DDS)是一种有别于传统模拟正弦信号发生技术的全新数字控制技术，其基本原理如图1所示。

    正弦波信号y=sinωt是一个非线性函数。要直接合成一个正弦波信号，首先应将函数y=sinx进行数字量化，然后以x为地址，以y为量化数据，依次存人波形存储器。DDS使用相位累加技术控制波形存储器的地址，在每一个基准时钟周期，都把一个相位增量加到相位累加器的当前结果。相位累加器的输出即为波形存储器的地址，根据相位累加器输出的地址，由波形存储器取出波形量化数据，经D／A转换器转换成模拟电流，再经运算放大器转换成模拟电压，通过改变相位增量即可改变DDS的输出频率值。
    采用直接数字合成技术(DDS)设计的信号发生器与传统信号源相比具有以下优点：
    (1)频率稳定度高其频率稳定度取决于所使用的参考频率源的稳定度，常见晶振的稳定度可达几个ppm量级；
    (2)频率精度高目前常见的DDS器件的频率分辨率可达32位；
    (3)易于控制直接通过数字接口就可以对频率、幅度、相位等进行控制。
    射频正弦波发生器系统的工作原理是基于DDS的信号产生方式，通过低通滤波器和放大器提高射频信号的频率特性和驱动能力，通过控制器和一些外围配套器件完成对DDS器件的接口控制。

3 系统硬件设计
    该系统硬件设计主要包括直接数字合成器(DDS)、低通滤波器、增益可调放大器、控制器和电源。该系统结构框如图2所示。

3．1 直接数字合成正弦波发生器
    根据系统设计指标，选用DDS器件AD9951，其内部时钟可达400 MHz，频率调节字为32位，14 bit的D／A转换器输出，具有较低的相位噪声和较高的动态范同，内部包含锁相环电路可实现×4～×20的倍频功能，通过SPI接口可以实现控制字和频率调整字的写入，实时调节信号频率和幅度。
3．2 低通滤波器
    根据DDS的工作原理，直接产生的D／A转换器输出信号必然包括所要求的频率和其镜像频率以及谐波频率等，因此在输出端必须采用低通滤波器进行滤波，根据Nyquist原理，通常只有器件工作时钟频率一半以内带宽的频率不受镜像频率的影响。
    滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器由于受放大器带宽和增益的限制，主要用于低频滤波器设计中：高频滤波器则主要使用无源滤波器。无源滤波器主要分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器，图3对三者进行比较，由于椭圆滤波器在过渡区具有快得多的衰减速率，因此在该设计中选择椭圆滤波器。

    根据系统指标要求，在DDS器件后加入170 MHz椭圆低通滤波器，经GENESYS软件仿真，结果如图4所示。

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