基于DDS器件設計的高精度、高穩定度、高分辨率射頻正弦波信號發生器

1 引言

現代通信技術、雷達技術、電子測量以及一些光電應用領域都要求高精度、高穩定度、高分辨率的射頻正弦波信號。有別于傳統的模擬射頻振蕩器方式，直接數字頻率合成器DDS（Direct Digital Synthesizer）有著顯著的優點：頻率穩定度高、頻率精度高、易于控制。

2 系統工作原理

直接數字合成技術（DDS）是一種有別于傳統模擬正弦信號發生技術的全新數字控制技術，其基本原理如圖1所示。

正弦波信號y=sinωt是一個非線性函數。要直接合成一個正弦波信號，首先應將函數y=sinx進行數字量化，然后以x為地址，以y為量化數據，依次存人波形存儲器。DDS使用相位累加技術控制波形存儲器的地址，在每一個基準時鐘周期，都把一個相位增量加到相位累加器的當前結果。相位累加器的輸出即為波形存儲器的地址，根據相位累加器輸出的地址，由波形存儲器取出波形量化數據，經D／A轉換器轉換成模擬電流，再經運算放大器轉換成模擬電壓，通過改變相位增量即可改變DDS的輸出頻率值。

采用直接數字合成技術（DDS）設計的信號發生器與傳統信號源相比具有以下優點：

（1）頻率穩定度高其頻率穩定度取決于所使用的參考頻率源的穩定度，常見晶振的穩定度可達幾個ppm量級；

（2）頻率精度高目前常見的DDS器件的頻率分辨率可達32位；

（3）易于控制直接通過數字接口就可以對頻率、幅度、相位等進行控制。

射頻正弦波發生器系統的工作原理是基于DDS的信號產生方式，通過低通濾波器和放大器提高射頻信號的頻率特性和驅動能力，通過控制器和一些外圍配套器件完成對DDS器件的接口控制。

3 系統硬件設計

該系統硬件設計主要包括直接數字合成器（DDS）、低通濾波器、增益可調放大器、控制器和電源。該系統結構框如圖2所示。

3．1 直接數字合成正弦波發生器

根據系統設計指標，選用DDS器件AD9951，其內部時鐘可達400 MHz，頻率調節字為32位，14 bit的D／A轉換器輸出，具有較低的相位噪聲和較高的動態范同，內部包含鎖相環電路可實現×4～×20的倍頻功能，通過SPI接口可以實現控制字和頻率調整字的寫入，實時調節信號頻率和幅度。

3．2 低通濾波器

根據DDS的工作原理，直接產生的D／A轉換器輸出信號必然包括所要求的頻率和其鏡像頻率以及諧波頻率等，因此在輸出端必須采用低通濾波器進行濾波，根據Nyquist原理，通常只有器件工作時鐘頻率一半以內帶寬的頻率不受鏡像頻率的影響。

濾波器主要分為有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器由于受放大器帶寬和增益的限制，主要用于低頻濾波器設計中：高頻濾波器則主要使用無源濾波器。無源濾波器主要分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾波器，圖3對三者進行比較，由于橢圓濾波器在過渡區具有快得多的衰減速率，因此在該設計中選擇橢圓濾波器。

根據系統指標要求，在DDS器件后加入170 MHz橢圓低通濾波器，經GENESYS軟件仿真，結果如圖4所示。

3．3 數字增益可調放大器

采用數字控制增益、寬波段放大器MAX2055。器件內部由阻抗匹配網絡、數控衰減器和放大單元組成。其頻率范嗣為30～300 MHz，-3～20 dB增益可調，并適用于50 Ω網絡。通過B0～B4數字控制信號即可實現增益可調。

3．4 控制器

控制器主要實現與計算機的通訊，控制正弦波發生器的頻率、幅度和放大器的數字增益。采用RS232 與計算機進行通訊，可方便設定和讀取當前頻率值，輸出功率控制大小。選用80C51微控制器P89LV51RD2，該器件包含64 KB Flash和1 KB的RAM，同時包含SPI、UART接口和豐富的I／O端口線。支持ISP（在線編程），可方便地通過串口進行程序燒寫。圖5為控制器在整個系統中的功能框圖。

3．5 電源部分

電源部分對各器件數字電源和模擬電源供電。

4 系統測試和分析

在完成系統設計和制作調試后對射頻信號輸出進行了性能測試。測量儀器型號為Anistu MS2034A，其頻譜分辨率RBW為10 Hz，頻率跨度span為200 kHz。DDS外部接石英晶振的頻率為25 MHz（精度為10 ppm），PLL為14，系統時鐘為350 MHz，數字可編程放大器增益為18 dB。（注：該儀器絕對幅度精度功率電平（≥-50 dBm，≤-35 dB輸入衰減，預關，10℃～55℃）：100kHz～≤10 MHz，±1．5 dB；》10 MHz～4 GHz，±1．25 dB）表l為各個設定頻率點對應的實際測量頻率值和功率值。

從表1可看出：

（1）信號功率特性 隨著輸出信號頻率的提高，信號功率下降．大體趨勢與sinc函數吻合，考慮到放大器和變壓器的高頻衰減以及分立元件的高頻特性影響，可以看出測量值基本符合規律。

（2）信號頻率穩定 度輸出頻率的穩定度和精度主要由晶振穩定度和精度決定，該系統選用頻率為25 MHz（精度為10 ppm）無源石英晶振，則對應輸出信號的頻率穩定度為f/25×10 ppm，可得頻率穩定度優于50 ppm?？墒褂酶呔雀叻€定度時鐘參考源提高整個系統的射頻信號輸出頻率精度和穩定度。

（3）信號帶寬通過Anistu MS2034，頻譜分辨率RBW為10 Hz，頻率跨度span為200 kHz的測量，可以從信號頻譜圖中發現信號輸出頻率約為幾赫茲。

5 結論

設計一種基于DDS器件AD9951的射頻正弦波信號發生器，通過設計、制作和調試，所得實驗結果較好，隨后進行分析，提出了改進意見。該系統對高性能射頻信號發生器的設計具有參考價值。