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AD9959在信号波形生成方面的应用

范文

史振国+李德和+尹虎

【摘要】本文介绍了波形生成电路的常见方案及特点，重点介绍了基于直接数字频率合成技术的AD9959。设计了基于AD9959的正弦波生成系统，简要说明该系统各部分的功能及作用，并具体分析了系统可达到的频率调制范围、频率调制精度和调制幅值。最后，本文通过实验数据说明了AD9959在信号波形生成方面的具体效果，具有宽频率范围、高精度、相位可设等特点。

【关键字】 AD9959 DDS 正弦波

引言：在激光器频率调制应用中，正弦波作为关键信号起到了重要作用。正弦波具有：幅度可调、频率可调、频率调制范围大及调制精度高等特点。如何同时满足上述几项的要求，成为正弦波设计的重点和难点。

一、方案对比

函数发生器是一种常见的波形生成电路。目前，常见的波形生成方案主要有4种，分别为：文氏电桥（Wien-Bridge Oscillator）[1]、波形生成芯片[2]、数模转换芯片和直接数字频率合成技术（DDS，Direct Digital Synthesis）[3-4]。

文氏電桥，是利用RC串并联实现的振荡电路，由Max. Wien 发明的。参考文献[1]是采用集成运放实现的文氏电桥，可以实现在线编程但因采用数字电位计导致该方案的频率调制精度偏低；波形生成芯片，常见如：Intersil公司ICL8038，存在如同文氏电桥相同的问题；数模转换电路可以实现调制应用中的4项要求，但存在程序复杂、调试周期长等问题；DDS技术是一种新型的频率合成技术，在满足要求的情况下，具有设计简单、见效快等特点。

二、方案设计

2.1AD9959介绍

AD9959由四个直接数字频率合成器（DDS）内核构成，每个通道均可提供独立的频率、相位和幅度控制。

AD9959可以执行高达16阶的频率、相位或幅度调制（FSK、PSK、ASK）。AD9959的串行I/O端口可支持多种配置，提供了极大的灵活性；每个通道均具有专用的32 bit频率调谐字、14 bit相位偏移和10 bit输出比例乘法器。

2.2总体架构

本系统采用DDS技术实现幅度及频率可调的正弦波，通过现场可编程门阵列（FPGA）对ADI的AD9959进行控制，AD9959的时钟来源于主控制芯片FPGA，并通过SPI总线方式实现控制，实现输出信号的频率可调；I-V转换电路，将AD9959输出的电流信号经变压器转换为电压信号，并通过低通滤波器对频率信号进行滤波处理；幅度调整电路是通过改变比例运算电路的比例实现信号幅度的调制，具体是FPGA经 SPI总线控制数字电位计的电阻来实现。上位机通过网口与PFGA实现人机交互功能，可以实现输出信号的频率、幅值控制。

其中，FTW的范围为[0，231]

由公式（1）推出，当AD9959速率高达500MSPS时，输出正弦信号最大频率为250MHz，频率精度高达0.115Hz。同时，输出时钟频率与系统时钟频率成正比，调制精度与系统时钟频率成反比。

因为激光器调制正弦波为固定频率的连续信号，所以系统采用AD9959的单频模式。具体操作流程为：1、上电触发主复位操作；2、设置寄存器0X00 启用目标通道，禁止其它通道；3、SPI总线方式在寄存器0X04设置对应的频率调谐字，以及寄存器0X05对应通道设置所需的相位偏移字；4、重复步骤2～3，分别设置其它通道；5、发送I/O更新信号更新后，所有通道输出所设置频率及相位的正弦信号

三、实验及结果

图1为本方案AD9959输出的正弦信号，其频率为30KHz。从中可以看出：信号波形规整，AD9959在宽范围正弦信号生成的应用中具有较好的性能。

结论：本文提出的基于DDS技术的AD9959在信号波形生成方面的应用，通过同步功能可以实现多级AD9959级联应用。实验结果证明，AD9959是一款功能强大的DDS芯片，可以提供宽频率范围、高精度、相位可设的正弦信号。

参考文献

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

[2] ICL8038. Intersil， 1998

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