AD9959在信號波形生成方面的應用

史振國+李德和+尹虎

【摘要】 本文介紹了波形生成電路的常見方案及特點，重點介紹了基于直接數字頻率合成技術的AD9959。設計了基于AD9959的正弦波生成系統，簡要說明該系統各部分的功能及作用，并具體分析了系統可達到的頻率調制范圍、頻率調制精度和調制幅值。最后，本文通過實驗數據說明了AD9959在信號波形生成方面的具體效果，具有寬頻率范圍、高精度、相位可設等特點。

【關鍵字】 AD9959 DDS 正弦波

引言：在激光器頻率調制應用中，正弦波作為關鍵信號起到了重要作用。正弦波具有：幅度可調、頻率可調、頻率調制范圍大及調制精度高等特點。如何同時滿足上述幾項的要求，成為正弦波設計的重點和難點。

一、方案對比

函數發生器是一種常見的波形生成電路。目前，常見的波形生成方案主要有4種，分別為：文氏電橋（Wien-Bridge Oscillator）[1]、波形生成芯片[2]、數模轉換芯片和直接數字頻率合成技術（DDS，Direct Digital Synthesis）[3-4]。

文氏電橋，是利用RC串并聯實現的振蕩電路，由Max. Wien 發明的。參考文獻[1]是采用集成運放實現的文氏電橋，可以實現在線編程但因采用數字電位計導致該方案的頻率調制精度偏低；波形生成芯片，常見如：Intersil公司ICL8038，存在如同文氏電橋相同的問題；數模轉換電路可以實現調制應用中的4項要求，但存在程序復雜、調試周期長等問題；DDS技術是一種新型的頻率合成技術，在滿足要求的情況下，具有設計簡單、見效快等特點。

二、方案設計

2.1AD9959介紹

AD9959由四個直接數字頻率合成器（DDS）內核構成，每個通道均可提供獨立的頻率、相位和幅度控制。

AD9959可以執行高達16階的頻率、相位或幅度調制（FSK、PSK、ASK）。AD9959的串行I/O端口可支持多種配置，提供了極大的靈活性；每個通道均具有專用的32 bit頻率調諧字、14 bit相位偏移和10 bit輸出比例乘法器。

2.2總體架構

本系統采用DDS技術實現幅度及頻率可調的正弦波，通過現場可編程門陣列（FPGA）對ADI的AD9959進行控制，AD9959的時鐘來源于主控制芯片FPGA，并通過SPI總線方式實現控制，實現輸出信號的頻率可調；I-V轉換電路，將AD9959輸出的電流信號經變壓器轉換為電壓信號，并通過低通濾波器對頻率信號進行濾波處理；幅度調整電路是通過改變比例運算電路的比例實現信號幅度的調制，具體是FPGA經 SPI總線控制數字電位計的電阻來實現。上位機通過網口與PFGA實現人機交互功能，可以實現輸出信號的頻率、幅值控制。

其中，FTW的范圍為[0，231]

由公式（1）推出，當AD9959速率高達500MSPS時，輸出正弦信號最大頻率為250MHz，頻率精度高達0.115Hz。同時，輸出時鐘頻率與系統時鐘頻率成正比，調制精度與系統時鐘頻率成反比。

因為激光器調制正弦波為固定頻率的連續信號，所以系統采用AD9959的單頻模式。具體操作流程為：1、上電 觸發主復位操作；2、設置寄存器0X00 啟用目標通道，禁止其它通道；3、SPI總線方式 在寄存器0X04設置對應的頻率調諧字，以及寄存器0X05對應通道設置所需的相位偏移字；4、重復步驟2～3，分別設置其它通道；5、發送I/O更新信號 更新后，所有通道輸出所設置頻率及相位的正弦信號

三、實驗及結果

圖1為本方案AD9959輸出的正弦信號，其頻率為30KHz。從中可以看出：信號波形規整，AD9959在寬范圍正弦信號生成的應用中具有較好的性能。

結論：本文提出的基于DDS技術的AD9959在信號波形生成方面的應用，通過同步功能可以實現多級AD9959級聯應用。實驗結果證明，AD9959是一款功能強大的DDS芯片，可以提供寬頻率范圍、高精度、相位可設的正弦信號。

參 考 文 獻

[1] Alan Li . AN-580： Programmable Oscillator Uses Digital Potentiometers. 2002. Analog Devices， Inc.

[2] ICL8038. Intersil， 1998