信號(hào)發(fā)生器是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域必不可少的電子儀器，目前，常用的信號(hào)發(fā)生技術(shù)主要有：基于模擬電子技術(shù)、鎖相頻率合成、直接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成(DDS)等幾種。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，信號(hào)發(fā)生技術(shù)也獲得了充足的發(fā)展，并且向高頻率、高分辨率、高穩(wěn)定性和多通道等幾方面發(fā)展，基于DDS的信號(hào)發(fā)生技術(shù)，具有高分辨率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)多波形、多通道和輸出頻率從極低頻至高頻(大于200 MHz)的信號(hào)輸出，是信號(hào)發(fā)生技術(shù)的發(fā)展方向。以美國(guó)ADI公司為代表研發(fā)、生產(chǎn)了AD9XXX系列DDS芯片，已廣泛應(yīng)用于各類信號(hào)發(fā)生器及其他各項(xiàng)領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹由美國(guó)ADI公司最新推出的AD9959DDS芯片構(gòu)成的四通道信號(hào)源的研制，信號(hào)源的每個(gè)通道均可獨(dú)立輸出1 Hz～200 MHz的寬帶正弦波信號(hào)，輸出幅度范圍為1 mVpp～4 Vpp，諧波失真小于等于5％，且通道之間相位均獨(dú)立可調(diào)。

1 AD9959芯片簡(jiǎn)介

AD9959 DDS芯片是美國(guó)ADI公司近年來推出的四通道、內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)500MHz的直接數(shù)字頻率合成器芯片。采用56腳LFCSP封裝，1．8 V供電，低功耗。可直接輸出高達(dá)200 MHz的模擬正弦波信號(hào)，每通道幅度、相位均獨(dú)立可調(diào)。

AD9959的主要特征如下：

(1)4個(gè)獨(dú)立的DDS通道，每個(gè)通道能獨(dú)立控制頻率、相位和幅度；

(2)具有頻率、相位、幅度線性掃描、調(diào)制功能；

(3)32位頻率控制寄存器；

(4)14位相位偏移控制寄存器；

(5)10位幅度輸出控制寄存器；

(6)具有高速的串行I／O口。

AD9959具有16級(jí)的頻率、相位或幅度調(diào)制，由外部管腳輸入數(shù)據(jù)控制。支持頻率、相位或幅度線性掃描和調(diào)制，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和其他儀器設(shè)備。

2 四通道寬帶信號(hào)源的組成

四通道寬帶信號(hào)源主要由AD9959芯片及外圍電路、差動(dòng)放大器、低通濾波器、寬帶放大器、數(shù)控衰減器和單片機(jī)控制電路等幾部分組成，如圖1所示。

2．1 AD9959芯片外圍電路

AD9959芯片17腳(DAC_RSET)外接一電阻Rset，一端接地，該電阻用來控制芯片內(nèi)部DAC輸出電流范圍，電流IOUT一般取8～10 mA左右。

Rset=18．91／IOUT (1)

AD9959芯片每個(gè)通道均有2個(gè)輸出端．即，IOUT和IOUT，屬于源極開路的電流輸出方式，每個(gè)輸出端均須接一個(gè)50Ω的上拉電阻，以完成電流→電壓的轉(zhuǎn)換。

2．2 差動(dòng)放大器

AD9959芯片內(nèi)部每個(gè)通道輸出均為差分方式輸出(CH_IOUT和)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)為簡(jiǎn)單起見可采用單端輸出方式，通常用CH_IOUT端。在滿幅度輸出時(shí)波形質(zhì)量尚可，但在小幅度輸出時(shí)波形失真較大。這是由于DDS芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量雜散頻率的干擾。較好的解決方式就是利用差分方式輸出，可以有效地將疊加在輸出端的通常是同相的干擾予以抵消。

差分方式輸出采用寬帶差分變壓器，但受差分變壓器本身帶寬限制，例如Mini公司的寬帶變壓器，頻率下限只能到0．3 MHz(-3 dB)。為了解決該問題，采用了有源差分運(yùn)放，如圖2所示。采用電流負(fù)反饋寬帶運(yùn)放OPA2658，-3 dB帶寬為800 MHz。電路是一個(gè)基本差動(dòng)放大器形式，同相和反相的輸入阻抗均為50 Ω，若Rt1=Rt2，Rf1=Rf2，則傳遞函數(shù)為：

usc=UOUT-(-UOUT)=2UOUT (2)

由于AD9959每通道輸出為互補(bǔ)形式，經(jīng)差分放大器后輸出有效成分疊加了，而同相的干擾成分則相互抵消，使波形失真得到改善。

2．3 低通濾波器

DDS芯片內(nèi)部為直接數(shù)字合成波形，輸出有包括時(shí)鐘頻率在內(nèi)的雜散頻率干擾，通常在輸出端(本例為差分放大器輸出端)設(shè)置低通濾波器，以有效濾除干擾的產(chǎn)生。

橢圓函數(shù)濾波器在有限頻率上既有零點(diǎn)又有極點(diǎn)。極零點(diǎn)在通帶內(nèi)產(chǎn)生等波紋，阻帶內(nèi)的有限傳輸零點(diǎn)減小了過渡區(qū)，使其可獲得極為陡峭的衰減特性曲線

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，用歸一化圖表設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足以下要求的橢圓函數(shù)低通濾波器，要求濾波器截止頻率為200 MHz，輸入和輸出阻抗均為50 Ω，帶內(nèi)最大波紋小于0．25 dB，在264 MHz處最小衰減為60 dB。設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)將已知條件歸一化，計(jì)算低通濾波器的陡度系數(shù)As。

As=fs／fc=264／200=1．32 (3)

(2)文獻(xiàn)中表明，ρ為20％時(shí)(0．18 dB的波紋)，需要一個(gè)n=7階的濾波器。選擇Ωs不大于2，Amin為60 dB或更大的濾波器。

這里選擇對(duì)應(yīng)于θ=50°的電路，因?yàn)殡娐乏竤=1．305，Amin=62．3 dB符合設(shè)計(jì)要求。濾波器電路如圖3所示，其歸一化元件值參考相關(guān)文獻(xiàn)。

(3)用Z=50 Ω和頻率標(biāo)度系數(shù)FSF(2fc)即1．256×10對(duì)濾波器去歸一化。

2．4 寬帶放大器和數(shù)控衰減器

由于DDS芯片輸出信號(hào)幅度較小，在經(jīng)過差分放大器后只有0．3 Vpp，在很多實(shí)際應(yīng)用中不能滿足需求，設(shè)置了2級(jí)寬頻帶放大器，放大倍數(shù)設(shè)定為13～16倍，使得信號(hào)源最大輸出可達(dá)到4 Vpp以上。該放大器采用了德州儀器的寬帶電流負(fù)反饋運(yùn)放THS3022，轉(zhuǎn)換速率為9 000 V／μs，3 dB帶寬為2GHz。

在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需幅度低至數(shù)毫伏的信號(hào)，因而設(shè)置了五位數(shù)控衰減器。衰減器采用高頻無感電阻器構(gòu)成的T型衰減電路，步進(jìn)為2 dB，最大衰減為62 dB。結(jié)合AD9959芯片內(nèi)部幅度調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)源幅度的大范圍、高精度輸出。

2．5?單片機(jī)控制電路

AD9959芯片的I／O控制電壓為3．3 V，選用了C8051F020型單片機(jī)，該單片機(jī)工作速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且采用8051內(nèi)核，指令跟國(guó)內(nèi)最為普及的8051系列單片機(jī)兼容。

單片機(jī)控制電路在硬件設(shè)置上安排了一個(gè)4×5鍵盤，128×64液晶點(diǎn)陣顯示器。另外還設(shè)置了一個(gè)旋鈕，用于快速調(diào)整頻率或幅度，使用極其方便。