基于AD9959 諧波信號發生器的設計

沈 冰，楊藝敏

（桂林航天工業學院 工程綜合訓練中心，廣西 桂林 541004）

0 引言

諧波在電力電子技術、自動化技術和理論電工等方面都有著廣泛的研究，特別是進入21 世紀以來，電子技術得到了巨大的突破，各式各樣電力電子設備層出不窮，廣泛應用于電氣化鐵路、煤炭、冶金等工業領域，極大地提高了各個領域的工業水平。與此同時，也帶來了電力系統諧波含量持續增高等問題，使得電能質量日益惡化，影響了公共電網的安全，因此，電力諧波污染開始走進大眾視野，諧波檢測作為解決電力諧波問題的基礎也逐漸的受到各界關注。電力系統的檢測中，常需要模擬電網諧波的信號源對其中的器件性能進行相應的檢驗，例如用戶電能表的校準等[1]。

傳統的信號發生器主要依靠模擬電子技術實現，依靠鎖相頻率合成技術實現頻率可調的信號，此種方法較為繁瑣，電路設計復雜，精度也稍遜一籌，且只能輸出單一的波形，現已較少使用。目前國內外絕大多數的研究機構對諧波信號發生器的研究都基于Direct Digital Frequency Synthesis 技術。相較于國外，國內對信號發生器的研究起步較晚，市面上絕大多數諧波信號發生器都由國外廠商生產，例如美國的安捷倫等，價格較為昂貴[2]。本設計的是一種參數可調的諧波信號發生器，結合實際設計需求，使用單片機為控制器，通過DDS 芯片產生四路信號，最終通過加法器合成諧波信號。此種方法的設計成本相對較低，單片機的應用也較為成熟穩定，在工程應用領域具有一定的實用參考價值。

1 總體設計框架

1.1 AD9959 簡介

DDS 是由美國科學家在20 世紀70 年代初提出的一種直接數字頻率合成技術，由于其具有頻率穩定度與分辨率高、轉換時間短、相位噪聲低、可編程、體積輕巧等優點[3-4]，逐漸成為目前的主流技術。

AD9959 是由美國ADI 公司推出的高精度DDS芯片，該芯片的內核由四個直接數字頻率合成器（DDS）構成，AD9959 可以對4 個通道獨立編程，從而提供了靈活性，其最高輸出頻率為200 MHz[5-6]。

1.2 總體設計思路

本設計采用單片機STC89LE52RC 控制DDS 模塊AD9959，通過運算放大器構成的加法器實現諧波信號的合成。其中電源模塊給各模塊提供所需的電壓，LCD12864 顯示四路信號的調制過程中幅度、相位、頻率或按鍵改變輸出信號的頻率、相位、幅度。

圖1 總體設計框圖

2 硬件電路的設計

2.1 DDS 模塊電路

DDS 模塊的設計如圖2 所示，芯片選用AD9959芯片，該模塊與單片機通信，由單片機寫控制字控制該模塊的各項輸出。其中，SDIO_0 雙向引腳用于串行口操作過程中的輸入與輸出，在程序中的指令或數據中的高低電平都是通過這個端口進行傳輸；I/O_UPDAT 輸入引腳，在上升沿的作用下把串口緩沖中的數據發送到所需要的寄存器中，在硬件設計過程中接入單片機其中的一個I/O 口；SCLK 為串行口的時鐘輸入端，分別在該端口的上升沿和下降沿寫入和讀出數據，在硬件設計中接入單片機其中的一個I/O 口；CS 片選信號使能端口，該端口為低電平時有效；MASTER_RESET 為芯片的復位引腳，采用接入單片機的I/O 口，通過程序的控制給單片機復位；REF_CLK 和REF_CLR 為參考時鐘輸入端，本次設計在該端接入兩個39pF 的電容跟一個25 MHz 的晶振，與CLK_MODE_SEL 引腳配合使用；CLK_MODE_SEL為振蕩器控制輸入引腳，在REF_CLK 和REF_CLR 端接入的晶振頻率范圍為20 ～30 MHz 之間，倍頻后的頻率不大于500 MHz；SYNCLK_CLK 為系統四分頻輸出引腳，通過該引腳能夠檢測系統的時鐘頻率，在不寫入程序時該端口輸出的頻率為本次設計25 MHz 晶振的四分之一輸出，在寫入程序20 倍頻后為500 MHz的四分之一輸出。

圖2 DDS 模塊

2.2 單片機控制系統

該部分主要由電源、振蕩電路、復位電路以及外圍電路構成。由于AD9959 的工作電壓為3.3 V，為了使電路結構更加簡單，所以單片機也將選用3.3 V 供電，本設計中采用的單片機型號為STC89LE52RC；兩個22pF 的瓷片電容、一個11.0592M 的晶振構成振蕩電路；復位部分采用按鍵復位，在此模式下單片機一上電就能進行復位且在工作中隨時都可以通過按鍵按下進行單片機復位，只需要在RESET 端產生一個超過兩個機器周期持續時間的高電平就能夠實現復位。

2.3 濾波電路的設計

由奈奎斯特采樣定理，DDS 輸出頻率只有最大值時鐘頻率的一半[7]，所以在實際輸出的過程中會輸出更多雜散的波，為了解決這個問題，可在DDS 的輸出端加上一個低通濾波器，它能夠很好地濾除不需要的雜波，平滑信號，得到所需頻段內的信號，本次濾波電路設計的是橢圓7 階低通濾波器，采用歸一化法設計本次的濾波電路。

2.4 液晶顯示電路

由于本次單片機系統采用的是3.3 V 供電系統，所以液晶顯示屏采用的是3.3 V 供電的LCD12864，滿足系統對顯示的需求。

2.5 供電模塊電路

在電源模塊電路設計部分，分別采用LM1117-3.3 和LM1117-1.8 提供3.3 V 和1.8 V 的電壓，采用TPS6043 提供負5 V 電壓，以確保第三部分加法器模塊運放所需的電源。同時為了濾除輸入或輸出的噪音，在三塊電源的輸入輸出引腳部分都接入了一個小電容，每個電源部分都分別用一個LED 燈來顯示電源正常工作。

2.6 按鍵的設計

所需的功能按鍵一共6 個，其中的S2 和S6 是對系統中數據進行加減功能的按鍵，S6 和S4 是對LCD12864 界面顯示上下移動以及翻頁功能的按鍵，S3 和S5 是對數據需要改變進行所需要選擇進行左右平移的按鍵。6 個按鍵都是接低電平然后接至單片機的IO 口，如圖3 所示。

圖3 功能按鍵

3 軟件部分的設計

軟件設計流程圖如圖4 所示，軟件主要由兩部分組成，一部分是控制LCD12864 顯示的流程圖，另一部分則控制DDS 模塊輸出，兩部分將同步更新，做到示波器上顯示的數據與LCD12864 上顯示的數據一致。

圖4 軟件設計流程圖

LCD12864 采用并行傳輸，DDS 模塊采串行傳輸。在寫程序方面，都是通過先寫兩個直接傳輸指令與數據的函數模式，然后通過調用該函數就能夠把所需要寫入的數據進行傳輸，而在進行具體的操作時則進行各部分的函數詳細的描寫，按鍵部分是對兩部分進行同步更新操作的關鍵，只要有按鍵按下，AD9959 與LCD12864 同步更新。

4 測試

諧波信號發生器硬件實物圖如圖5 所示，給整個系統供電后，LCD12864 顯示進入到調頻界面，開機界面與調頻界面的時間間隔約兩秒，在該界面就可對四個通道進行調頻操作，初始化的程序將顯示四個通道的初始化頻率，進入調頻界面后可以進行各項操作，通過調試，基本達到設計要求。圖6 是基波與三次諧波、五次諧波、七次諧波通過加法器的合成生成的波形，也是本文最終產生的波形。

圖5 諧波信號發生器硬件實物圖

圖6 合成波形

5 結語

基于AD9959 的諧波信號發生器的設計完成以后，經過反復測試，各項指標均達到了預期。基于單片機為控制核心的諧波信號發生器，能產生一系列特定的有規律的幅度和頻率可調的信號，很多的測量領域都可應用，并且由于AD9959 可以在不改變外圍電路的情況下對系統進行軟硬件升級，延長了系統的使用周期，并且由于它的性價比高和廣應用范圍廣，使其在通信領域的應用有了更多的可能。