摘　要：直接数字频率合成（DDS）近年来发展非常迅速的一种新型频率合成技术，它具有频率分辨率高、相位噪声低、频率转换时间短等特点。首先简要介绍DDS的工作原理及其性能，然后主要阐述如何利用AD9851芯片设计一个高精度直接数字式合成频率源。
    关键词：直接数字式频率合成；AD9851；频率分辨率；相位噪声

　　随着现代电子技术的发展，在通信、雷达、宇航、仪表、电视广播、遥控遥测和电子测量仪器等应用领域，稳定度的晶体振荡器，其输出信号作为DDS合成频率的基准频率，同时保证DDS中各部件同步工作，频率控制字F_CW来自计算机系统，它用来控制相位累加器的累加次数，从而改变输出频率f_o的高低。DDS的工作实质是以考频率源对相位进行等可控间隔的采样。
    由于：f＝ω／2π＝Δθ／2π×Δt，其中Δθ为一个采样间隔Δt之间的相位增量，采样周期Δt＝1／f_r，即：f＝Δθ×f_r／（2×π），控制Δθ，就可以控制不同的频率输出。Δθ由频率控制字F_CW控制：Δθ＝F_CW×2π／2^N（N为相位累加器的字），改变F_CW可得到不同的频率输出f_o：

    DDS中输出滤波器采用LPF。由于DDS合成信号是正弦波时，D／A输出的信号中有许多不需要的寄生谱分量，只有基波分量才是所需要的，因此在D／A之后需跟一个低通滤波器。Nyquist准则允许输出频率最高为f_r／2，即F_CW≤2^N－1，但实际中受LPF的限制，一般：

    DDS的主要优点是频率分辨率高，由式（2）可知，它的频率分辨率（即精度）由相位累加器的位数N决定；由式（3）可以看出，DDS的工作频带较宽，可合成从直流到0．4f_r的频率信号；同时它的输出相位连续，频率稳定度高。

2　一种高精度直接数字式频率合成器的设计
    AD9851芯片是AD公司采用先进CMOS技术生产的最高时钟为180MHz、高集成度直接数字式频率合成器件。它由一个高速DDS，一个高速、高性能DAC以及比较器等构成一个完全数字控制可编程频率合成器，其时钟输入端内置一个6倍频乘法器，并且具有时钟产生功能。AD9851的原理框图如图2所示，可将其用作一个高精度可编程的数字频率合成器和时钟生成器。当参考时钟源的频率精度很高时，其输出数字化的模拟正弦波的频率和相位都很稳定，生成的正弦波经滤波后可直接用作频率源，也可通过内部的比较器转换成方波作时钟源。
    AD9851的参考时钟输入可采用温补石英晶体振荡器提供，编程启用AD9851内含的6倍频率乘法器。其所需控制字、频率控制字F_CW以及相位控制字等数据由PC机通过PCI（PeripheralComponentIntercon－nect，即外围部件互连）总线以并行或串行异步方式提供，在PCI总线与AD9851之间利用PCI专用芯片组或PLD进行输入数据缓冲，AD9851的输出需经LPF滤波器滤波。系统总体原理框图如图3所示。
    AD9851共包含40位控制码（D39～D0），其作用是：（1）D39、D38用来控制AD9851数据输入的模式。AD9851的数据输入模式分为两种：并行输入模式和串行输入模式。在并行输入模式下，模式控制码为“00”，由数据输入端D0～D7每次8bits分数次输入频率控制字。在串行输入模式下，模式控制码为“11”。由数据输入端D7每次1bit依次输入频率控制字。（2）D37用来调节AD9851输出的功率。（3）D36～D32相位调制码，用来控制AD9851的相位调制量。（4）D31～D0，用来控制AD9851输出的频率。32位频率控制码是由输入的频率值转换过来的。具体转换关系为ΔPHASE＝f_o／（REFCLK／2³²）。

    AD9851中的DDS内核所需输入控制字由PC机提供。在进行频率控制时，首先送入相位调制码、功率调节码和输入模式控制码，然后送入32bits频率控制码。本系统中以软件方式设置AD9851工作在并行数据输入模式。系统启动后，用户从键盘输入所需信号的频率值、初始相位值以及置AD9851的工作模式的控制字，计算机将频率值根据公式Δθ＝f_o／（REF－CLK／2³²）转换为频率相位控制字，将初始相位值按照公式Phase＝Phase_in／11．25°转换为相位调制字，准备送往AD9851频率控制输出板。在传输数据之前，计算机先向系统端口产生一个RESET上升沿信号，并延时7ns，使系统复位，再依次传输一个8bits的相位调制和置AD9851工作模式码以及32bits的频率控制码。每传输一次8bits的控制码后，需由软件产生一个有效的W＿CLK上升沿信号，将控制码送入AD9851输入数据寄存器中，重复五次后即可将40bits的控制码全部加载到AD9851内部的数据寄存器中，最后产生一个有效的FQ＿UD上升沿信号，将40bits的控制码全部加载到AD9851中的DDS频率合成单元中，经过13到18个时钟周期后，就可以获得所需要的频率输出信号。
    主程序流程图如图4所示，包括：系统初始化，由用户输入所需的频率值，判断输入的频率值是否超出系统所限制的范围，由计算机完成输入频率值到AD9851所需频率／相位控制码的转换，通过PCI扩展口将频率控制字送入AD9851数据寄存器，等待用户第二次输入新的频率值或结束任务。其驱动程序采用可视化编程工具VisualC＋＋6．0编写。
3　结论与展望
    该系统中采用AD9851作为DDS核心，其频率控制字N＝32bits，当系统输入时钟频率f_r为180MHz时，其输出频率分辨率f_res＝180×10⁶／2³²＝0．042Hz，最高输出频率f_o≤40％×180MHz＝72MHz；AD9851还提供5bits的可编程相位调制字，其输出相位可以11．25°的增益改变。以AD9851芯片为核心构成的DDS频率源板卡实际输出频率范围从直流到70MHz，频率分辨率达0．04Hz，频谱纯度较高，频率转换速度快，相位连续，频率、相位调制方便，且在70MHz输出时SFDR＞43dB。

　　对该频率源在不同情况下用HP8567型频谱仪进行了测试，得到了几种典型情况下的频谱图，其中在SYSCLK＝180MHz，启用6倍频器，V_s＝＋5V时，70．1MHz基频输出信号时的宽带（DC～72MHz）输出SFDR以及70．1MHz基频输出信号时的窄带（70．1±0．1MHz）输出SFDR分别如图5（a）、（b）所示，结果基本达到了理论上给定的AD9851性能指标。
    目前已集成化的DDS芯片主要有CMOS型、TTL型、ECL型、GaAs型等，其中CMOS型因其具有一系列优点而得到广泛应用，主要是AD公司和Qualcomm公司生产的CMOS型DDS芯片系列。随着DDS理论的不断完善和集成工艺技术水平的提高，DDS正向高时钟频率、高分辨率、极短频率捷变时间、低相位噪声、低杂散、集DAC于一体并同时具有多种调制功能的方向发展。
    采用AD公司生产的一种典型的CMOS型DDS芯片AD9851研制的频率源被制成PCI板卡嵌入到PC机中，作为一种虚拟仪器使用，能够为各种通信系统提供高准确度和高稳定度的0～70MHz可调频率信号。如果需要更高精度、更高频率的频率源，可以采用其它DDS芯片按照类似的研制方法获得。

参考文献：

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