基于AD9852的基准源设计

1 系统总体方案设计

基准源主要由上位机控制、FPGA控制、DDS、参考源、调制信号源及波形输出模块组成，如图1所示。上位机控制单元是由计算机通过USB总线连接至电路板进行控制操作。FPGA控制单元实现与上位机控制单元交互信息，同时以并行方式向DDS芯片发送控制字，以管理其内部寄存器。参考源为DDS提供高精准的时钟晶振，确保DDS输出信号的频谱纯度。调制信号单元为DDS提供外部调制信息。波形输出模块由低通滤波器、运算放大器及电阻网络组成，主要完成DDS输出信号的滤波，放大等功能。

　
系统上电复位后，电路板上的绿色LED二极管闪烁提示整机处于正常状态。当有DDS波形输出时，电路板上的蓝色LED二极管闪烁提示工作正常。

2 系统模块设计

2．1 系统软件设计

基准源的上位机控制采用C语言编程实现，主要完成对FPGA内部寄存器的读写操作，进而控制板上各种硬件资源的管理。另外，DDS的频率控制字的计算也由上位机软件计算得到。FPGA接收到上位机的命令，经解析后向DDS的内部寄存器写入控制字，完成相应功能。同时，FPGA负责电路板上的各种时钟管理。系统软件的总体工作流程如图2所示。

　
2．2 频率控制设计

本文采用DDS技术产生频率可调的波形，具有频率分辨率高，相位连续等优点。DDS基本框图如图3所示。

　
DDS的基本结构包括：相位累加器，正弦查找表ROM，数模转换器DAC等。DDS有两个主要缺点：一是输出频率低，二是输出频谱中杂散多。输出频率低主要受DDS工作频率的限制，随着微电子技术的发展，这个缺陷会逐渐得到弥补。DDS输出频谱中的杂散是DDS所固有的，这是由DDS的工作方式决定的。

DDS的基本工作原理是：相位累加器在N位频率控制字FTW的控制下，以参考时钟频率fc为采样率，产生待合成信号的数字线性相位序列，将其高M位作为地址码通过正弦查询表ROM变换，产生L位对应信号波形的数字序列S(n)，再由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形S(t)，最后由具有内插作用的低通滤波器LPF将其平滑为连续的正弦波形作为输出。FTW和fc时钟频率共同决定了DDS输出信号的频率fo，它们之间关系满足：

由上可知，DDS技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题，即给定信号幅度、频率、相位参数，产生所需要的信号波形。从系统的角度可以认为是给定输入时钟fc和频率控制字FTW，输出某一对应的正弦信号。另外，也可以认为DDS是一个可变的程序小数分频器。

本文中的DDS芯片采用的是Analog Device公司生产的AD9852芯片，时钟频率最高可以达到300MHz，内部集成了12位DAC，相位累加器的位数为48位，并且具有FSK，PSK等数字调制功能。AD9852是具有高集成度的DDS芯片，内部结合有高速性能的DAC和一个比较器，构成了一个数字可编程的合成器。当给定一个精确的参考时钟源时，AD9852就会产生一个高稳定度，频率、相位及幅度均可编程的正弦波输出。AD9852的频率控制字达到48位，使其频率分辨率可达1μHz。其相位截断到17位，使得AD9852具有极好的自由杂散动态范围SFDR。AD9852还提供14位的数字控制的相位调制。其结构框图如图4所示。


整机上电复位后，为设置某一频率值，需要将频率控制字从高位至低位依次以并行方式写入AD9852的地址04h至地址09h，VreilogHDL程序代码如下：

2．3 幅度控制设计

AD9852内嵌电流输出型DAC，改变其输出幅值有两种方法：1)AD9852的输出最大幅值由连接至56引脚的电阻Rset决定，最大满摆幅输出电流为20mA，电阻Rset与输出电流Iout的关系为：Iout=39．9／Rset；2)AD9852的地址21h、22h为幅度控制寄存器，更改其控制字即可改变输出信号幅值。

整机上电复位后，为设置某一幅值，需要将幅度控制字从高位至低位依次以并行方式写入AD9852的地址21h、22h，VreilogHDL程序代码如下：

　
2．4 AM设计

基于2.3讨论的幅度控制设计，加入外调制信号可进一步实现AM调制，其中，外部调制信号的产生框图如图5所示：

　
图5中，RAM存储外调制信号波形，本文中需要存储正弦波波形，由RAM和FPGA共同构建NCO。存储的数值由上位机计算得出，并通过FPGA写入RAM中。RAM中的数据被FPGA读出后，由数字乘法器对其进行放大，乘系数因子由AM的调幅深度决定。向AD9852的地址21h、22h(幅度控制寄存器)写入外部调制信号所对应的波形数据，即可实现调制速率、调制深度均可控的AM调制。

2．5 波形输出设计

AD9852所产生的信号直接由器件内部的余弦DAC输出，内部不含低通滤波器，故要对其输出信号进行滤波处理。本文中，为了降低AD9852内部系统时钟的干扰，采用了具有下降速度更快、且较窄过渡带特性的7阶椭圆滤波器。如图6所示。


AD9852输出信号的幅度范围较小，需要根据实际应用情况进行放大处理，本文采用运算放大器LM7171搭建负反馈放大电路。

3 结束语