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| 基于AD9851的任意波形发生器研究 | |||||
作者：李秀方 陈… 文章来源：Internet 点击数： 更新时间：2007-5-14  |
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关键字：DDS；AD9851；任意波形发生器0 引言 任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator简称AWG)是随着众多领域对复杂的、可由用户定义的测试信号波形日益增长的需要而发展起来的一类新的信号源。测试系统经常需要各种信号，这些信号的波形可能是标准正弦波、方波或三角波，更多的是不规则的或专用的测试波形，这一类波形是传统的信号源所无能为力的，而任意波形发生器可以产生这些非常规的信号。 直接数字合成DDS(Direct Digital Synthesis)技术是直接对参考正弦波进行抽样、数字化，然后利用数字计算技术产生频率合成。该技术具有极高的频率分辨率、极快的变频速度、变频相位连续、相噪较低、易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，因此，DDS技术自七十年代被提出以来，得到了飞速的发展和广泛的应用。 1 基于相位累加的DDS基本原理 DDS直接数字合成技术主要是通过相位累加查表法来实现任意波形合成，基本原理如图1所示。直接数字合成DDS技术是将波形幅值数据存于波形存储器中，通过调节频率控制字，在恒定时钟源的激励下，使相位累加器以频率控制字为间隔采样波形存储器中所存的波形，最后经D/A转换器和带通滤波器输出波形。频率控制字FC（Frequence Control）控制合成波形频率。时钟源以频率fc发出脉冲。当一个脉冲到来时，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步长FC增加。其结果作为查找表LUT(Look Up Table)的寻址地址。LUT内存中有一个完整周期波形的数字幅值信息。每个LUT存储单元对应一个周期内的某一个相位点。通过查找表可以把输入的地址信息映射成合成波形的幅值信号，并输入到数模转换器DAC。经过DAC，就可以得到要合成的波形。实际上，FC是每个时钟期间波形的相位增量，因此，控制FC，就可以控制输出波形的频率。PR每经过2N/M个时钟周期后回到初始状态，对应的DAC也就输出一个波形。输出波形的周期为T＝(2N/FC)TC，频率为f＝(FC/2N)fc。DDS的最小分辨率为fr＝fc/2N。 2 AD9851的原理特性 AD9851是美国AD公司采用CMOS技术生产的高集成度DDS芯片，图2所示是其原理图。 AD9851芯片的最高输入时钟频率为180 MHz，同时可选择是否启用内含的6倍频乘法器。它带有高性能的十位数模转换器；且内含一个高速比较器；AD9851具有简化的控制接口，允许串/并行异步输入控制字，该芯片采用32位频率控制字，其内部使用5位相位调制字。器件的工作电源范围为2.7~5.25 V其掉电方式时的功耗为4 mW＠+2.7 V；AD9851的自由寄生动态范围(SFDR)大于43 dB(70 MHz输出)，采用极小的28脚贴片式封装。 AD9851可用作一个高精度的可编程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，AD9851输出的数字化的模拟正弦波的频率和相位也很稳定，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为时钟源。由于AD9851的核心具有32 bit的频率控制字，当系统输入时钟频率为180 MHz时，其输出频率分辨率接近0.04 Hz。AD9851还提供了5 bit的可编程相位调制字，其输出相位以11.25°的增益改变。可编程启用AD9851内部集成的6倍频参考时钟乘法器，输入的时钟源频率大大降低了外部参考时钟频率，且仅需一个30 MHz的晶振即可实现。因此，减小了高频辐射，提高了系统的电磁兼容能力，且具有很小的SFDR和相位噪声。 3 基于AD9851的任意波形发生器 由于AD9851的性能优良，且具有较高的性价比，因此选用它作为系统的DDS核心，可满足大多数用户的技术指标要求。AD9851的参考时钟输入采用温补石英晶体振荡器提供，为使温补晶振的振荡频率不太高(这样容易实现且可以降低成本)，因此启用了AD9851内含的6倍频乘法器。AD9851所需控制字、频率控制字以及相位控制字等数据由单片机以并行方式提供，同时在CPU与AD9851之间利用锁存器进行输入数据的缓冲，使系统可以稳定、可靠地工作。AD9851的输出需经带通滤波器滤波。系统总体原理框图如图3所示。 AD9851所需的输入控制字由CPU提供，这种控制方式比较灵活，通过编制程序，用户便可方便地调节输出信号的频率和相位。 该方案的特点：一是采用温补晶振提供参考输入频率。考虑到恒温晶体振荡器的性能指标最好，但体积最大，价格最贵；而普通晶体振荡器虽然价格便宜，但其频率稳定度通常较低；采用温补晶体振荡器，主要是因为它的价格适中，主要是频率稳定度能满足工程实际要求。二是采用带通滤波器代替低通滤波器。尽管低通滤波器设计简单、调试方便，但带通滤波器的性能较好，且对高低端的杂波有较好的抑制作用。三是AD9851所需输入控制字由CPU提供。这主要是考虑到该方案一般用于虚拟仪器，且这种控制方式比较灵活，可通过编制程序、操作PC机的键盘或鼠标来方便地调节输出信号的频率和相位。 4 结束语 以AD9851芯片为核心构成的直接数字式合成频率源的输出频率范围从直流到72 MHz，频率分辨率高达180×106×1/232=0.042 Hz，频谱纯度较高，频率转换速度快，且转换时相位连续，频率、相位调制方便，其SFDR＞43 dB＠70 MHz输出。测试结果表明，该频率源输出频率信号的精度接近±0.04 Hz。由于采用温补晶振提供参考输入频率，使得输出频率信号的稳定度优于10-9，且具有较高的性价比。 本系统存在的不足是仍然存在一定的相位噪声和杂散信号。杂散信号主要是由电压幅度截断、相位截断和DAC本身的问题这三个因素引起。因此，为了降低杂散信号可采取以下措施： (1)从DAC的建立时间、尖峰脉冲能量、倍数和积分线性等方面考虑来选择合适的D/A变换器，实际应用中可选用不含DAC的DDS芯片，而是外接一个脱片DAC； (2)通过硬限幅器、混合DDS/PLL频率合成器和噪声降低电路来降低AM分量； (3)采取必要的措施降低PM分量。 参考文献 [1] 林茂六.数字锁相与数字信号合成技术[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1991.108-138. [2] 费元清.直接数字合成技术综述[C].合肥:中国电子学会,DDS技术与应用研讨会论文集,1997.345-349. [3] 高保生.DDS芯片AD9851及其在跳频通信系统中的应用[J].国外电子元器件,2000,(3):29-30. [4] 刘铁新,等.DDS中相位截断效应分析及其改善方法[J].宇航计测技术,1999,(4):19. [5] 张骏凌,等.直接数字频率合成器中的相位噪声分析[J].电子科技大学学报,1999,(1):28. |
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