1、AD9854介紹

　　AD9854數字合成器是高集成度的器件，它采用先進的DDS技術，片內整合了兩路高速、高性能正交D/A轉換器通過數字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號。在高穩定度時鐘的驅動下，AD9854將產生一高穩定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號，作為本振用于通信，雷達等方面。

　　AD9854的DDS核具有48位的頻率分辨率（在300M系統時鐘下，頻率分辨率可達1uHZ）。輸出17位相位截斷保證了良好的無雜散動態范圍指標。AD9854允許輸出的信號頻率高達150MHZ，而數字調制輸出頻率可達100MHZ。通過內部高速比較器正弦波轉換為方波輸出，可用作方便的時鐘發生器。

　　器件有兩個14位相位寄存器和一個用作BPSK操作的引腳。對于高階的PSK調制，可通過I/O接口改變相位控制字實現。具有改進DDS結構的12位I和Q通道D/A轉換器可以提供較大的帶寬并有較好的窄帶無雜散動態范圍（SFDR）。如果不使用Q通道的正交功能，它還可以通過配置，由用戶編程控制D/A轉換。當配置高速比較器時，12位D/A輸出的方波可以用來做時鐘發生器。它還有兩個12位數字正交可編程幅度調制器，和通斷整形鍵控功能，并有一個非常好的可控方波輸出。同時脈沖調制功能在寬帶掃頻中也有重要應用。

　　AD9854的300M系統時鐘可以通過4X和20X可編程控制電路由較低的外部基準時鐘得到也可以通過單端或差分輸入。AD9854還有單腳輸入的常規FSK和改進的斜率FSK輸出。AD9854采用先進的0.35微米COMS工藝在3.3V單電源供電的情況下提供強大的功能。

　　2、AD9854工作原理

　　2.1、DDS技術

　　AD9854中使用的DDS技術

　　是根據奈奎斯特采樣定律，從連續信號的相位出發將一個正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個正弦函數表，存于EPROM中；合成時，通過改變相位累加器的頻率控制字來改變相位增量。相位增量不同，一個正弦周期內的采樣點數不同。在

　　時鐘頻率即采樣頻率不變的情況下，通過相位的改變來實現頻率的改變，計算公式為

　　將這種變化的相位/幅值量化的數字信號通過D/A轉換即可得到合成的相位變化的模擬信號頻率。

　　2.2、AD9854芯片結構及工作模式

　　AD9854是美國AD公司采用先進的DDS技術生產的具有高集成度的電路器件。它內部集成了48Bit頻率累加器、48Bit相位累加器、正余弦波形表、高速、高性能的正交D/A轉換器以及調制和控制電路，能夠在單片上完成頻率調制、相位調制、幅度調制和IQ正交調制等多種功能。當輸入一個準確的參考頻率，AD9854就產生一個高穩定的頻率、相位、幅度可編程調制的正弦和余弦信號，作為本機振蕩器用于通信、雷達等方面。AD9854的DDS內核具有48Bit的頻率分辨率，相位截斷17Bit保證了優良的無雜散動態比（SFDR）指標。同時，AD9854內部還含有可編程控制的時鐘乘法器，這可以使用戶采用相對較低頻率的振蕩器通過乘法電路實現從4到20的整數倍頻成為系統時鐘信號，其內部時鐘速率最大可達300MHz。

　　AD9854有五種工作模式，分別為Single－Tone（Mode 000）、FSK（Mode 001）、Ramped FSK（Mode 010）、Chirp（Mode 011）和BPSK（Mode 100），模式選擇可在控制寄存器里進行修改。在這五種模式中，Single－Tone模式是最為靈活的一種，也是主復位后的默認模式。通過該模式可以根據需要任意設定輸出信號的頻率、幅度和相位等特性。在FSK模式下，其輸出信號的頻率可根據引腳P29的電平高低在頻率控制字F1和F2之間選擇，而其相位則由相位控制字P1決定，頻率跳變時相位保持連續。

　　Ramped FSK模式與FSK的不同之處在于：F1和F2分別存儲低頻率和高頻率，輸出從F1到F2掃描，掃描間隔和速度可以控制，控制寄存器中既可提供單獨控制位以實現自動三角形掃頻過程，也可改變掃頻速度以實現非線性掃頻。Chirp模式是在指定的頻率范圍和頻率精度上，頻率可以是線性或非線性變化輸出，而且掃頻方向可控。與Ramped FSK模式相比，該模式需要用戶自己通過“HOLD”（P29高電平）控制停止頻率點，同時控制停止后的狀態。BPSK模式的工作方式幾乎和FSK完全相同，只是BPSK模式將頻率F1和F2之間的切換變成了相位P1和P2之間的切換，引腳P29低電平時選擇P1，高電平時選擇P2。此外，還要通過頻率寄存器對輸出信號的頻率進行控制。

　　3、系統硬件設計

　　本文設計的信號發生器采用DDS技術，結合單片機控制，實現正弦波、方波、三角波、點頻、掃頻、跳頻等功能，以及AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK等調制功能。系統組成結構如圖1所示，主要有單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數字合成模塊、濾波模塊及功放模塊。

　　3.1、信號的產生及顯示控制

　　系統采用的單片機控制芯片是***Winbond公司的W78E58芯片，它是51系列單片機兼容的微控制器，其內部有32KB的FLASH EEPROM，用戶編制的程序及需要顯示的英文字母、 數字、漢字、曲線和圖形都可以存儲在里面，免去了擴展外部存儲器的麻煩，使得以W78E58單片機為核心的控制系統電路更簡單。而且它的一個機器周期是4倍的振蕩周期，執行同一 條指令的時間只是普通的8051單片機的1/3，因此指令操作更加快速。

　　本文設計中，W78E58的參考時鐘由20MHz的晶體振蕩器產生，同時也把它作為AD9854的輸入時鐘，再經過內部乘法電路15倍頻后達到300MHz的系統時鐘。AD9854有10MHz串行接口和100MHz8位并行接口2種方式可以選擇，此處將S/P SELECT（Pin 70）引腳接高電平，選擇并行傳輸方式。如圖2所示，W78E58的P0.0至P0.7端口與AD9854的D0至D7端口相連傳輸數據信息，P2.0至P2.5端口與A0至A5端口相連傳輸寄存器地址信息，P3.6、P3.7分別與WR、RD兩個引腳相連控制讀寫操作，由這三部分共同組成并行傳輸控制。例如，當WR引腳置低電平時，頻率控制字通過數據端口送入I/O緩沖寄存器，再由內部的刷新時鐘把控制字寫入指定地址的寄存器。

　　為節省單片機I/O口，簡化硬件線路，本文采用矩陣式鍵盤，并結合軟件編程，實現雙功能鍵。鍵盤共設有16個鍵，由P1.0～P1.3四條行線和P1.4～P1.7四條列線構成。其中包括數字鍵、單位鍵及功能鍵，用來對所需信號的頻率、幅度及功能進行控制，最后輸出的信號 頻率、幅度等信息通過液晶顯示屏顯示出來。顯示部分采用國顯公司的GXM1602NSL液晶模塊，它的核心是HD44780。與W78E58的數據傳輸采用8位并行傳輸，可顯示兩行共32個點陣字符。HD44780支持用戶自定義字符，故可以通過編程將頻率、幅度、波形等漢字及數字信息顯示出來。

　　本文設計中還采用了通信接口（RS232）與PC機相聯，PC機的控制命令可以通過TXD（Pin10）和RXD（Pin11）與W78E58進行交互，控制信號源的輸出。

　　3.2、信號的處理

　　根據DDS合成的頻譜分析，由于存在相位截斷和D/A轉換，輸出信號含有高次諧波分量干擾。尤其是輸出信號頻率越高，諧波畸變越大，本文設計的信號發生器輸出頻率最高達100MHz，故需進行更有效的濾波處理。本設計中采用的小波分析能同時利用信號與噪聲在時域和頻域內的差別， 實現更為有效的信噪分離， 從而獲得較為理想的除噪效果。濾除高次諧波時，利用3σ準則

　　確定每層小波分解系數的閾值。3σ準則通常用于測量誤差的處理，主要功能是挑出測量誤差中的粗大誤差。基本思想是：由于隨機誤差是服從于正態分布， 則誤差的絕對值主要集中在均值（0）附近。凡所測數據大于3σ的則認為是粗大誤差，予以剔除。具體算法為：1）計算各層細節系數的均方值σ; 2）將相應層的小波變換系數中絕對值大于3σ的系數置為0，其他保持不變; 3）返回1）重新計算σ的值，繼續比較，如果小波變換系數中仍然有大于3σ的值存在，則循環執行1）、2），直到該層所有小波變換系數都小于該次求得的3σ。此時的3σ就是該層小波分解系數去噪閾值。處理后的系數再進行小波反變換，即得到預期的波形。把濾波后的I和Q通過VINP（Pin42）、VINN（Pin43）腳輸入，經過高速比較器，即可得到方波信號，方波信號經過簡單的變換，可得到三角波、鋸齒波等。

　　4、系統軟件設計

　　在儀器的整個設計中，對系統軟件的設計采用模塊化設計的方法。系統軟件由主監控軟件、鍵盤顯示器管理模塊、外設中斷管理處理模塊、各功能模塊和數據處理模塊構成。上電復位后儀器首先進入監控主程序。它的任務是識別命令、解釋命令，并獲得完成該命令的相應模塊的入口，起著引導儀器進入正常工作狀態。系統的軟件用C語言設計，相對于匯編語言，C語言對機器底層硬件操作較為方便，模塊化程度高，可讀性與可移植性好。

　　主程序框圖如圖3所示。對AD9854進行初始化控制時，首先，MASTER RESET（Pin71）腳必須置高10個系統周期以上，然后對AD9854寫入控制字。一旦設定后，AD9854將保持設定狀態不變，直到重新進行設置。AD9854通過內部一個地址范圍為00H～27H的寄存器表存儲有關的各種控制字和狀態字。用戶可通過I／O與該寄存器表進行通信，I／O緩沖區的內容必須在更新脈沖的作用下才能刷新到寄存器表中，這樣可以很好地達到同步。寄存器表中00H、01H和02H、03H單元分別存放14位的相位控制字1和相位控制字2，它決定了

　　5、總結

　　本文設計的信號發生器采用DDS芯片AD9854，結合單片機控制技術，使得整機結構簡單，功能齊全。不僅具有AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK調制功能，還有點頻、掃頻和跳頻等功能。經過實際測試，其分辨率、信噪比和幅度控制達到了設計要求，輸出最高頻率達到了100MHz，頻率分辨率達到1μHz，抗干擾能力很強，滿足實驗室和科研使用的要求。