【摘要】根据DDS技术的基本原理和特点，本文介绍一种基于DDS芯片AD9835的低频扫频仪发射机设计方法，给出了发射机的各部分结构并对关键设计作了介绍。用此方案制作的发射机具有适合窄带、低频，且精度高、幅频特性平坦的特点。
【关键词】直接数字式频率合成器；AD9835；低频扫频仪；发射机
1.引言
直接数字式频率合成器(Direct Digi-tal Synthesizer，DDS)是通过相位累加、查表输出直接合成所需波形的技术。DDS技术具有频率分辨率高、频率切换速度快和频率切换时相位连续等优点，被广泛应用于扫频仪、函数信号发生器、雷达系统、通信系统中。本文将介绍一种用ADI公司DDS芯片AD9835实现100Hz～10MHz扫频仪发射机设计的方案。
2.DDS技术原理
正弦波的幅度根据以下公式变化：
(1)
其变化是非线性的，不易于产生。然而，角度变化是线性的，即相位在单位时间内变化一个固定量。角度变化规律与频率的关系为：
(2)
如图1所示。
由于相位随时间线性变化，在给定时间内相位变化为：
(3)
从而有
(4)
此处为参考时钟频率周期，即：，代入式(4)中可以得到
(5)
如图2所示，DDS芯片一般内部包含相位累加器、正弦表和输出数模转换器(DAC)，核心是相位累加器。相位累加器以循环计数的形式从0～计数，由主时钟驱动。相位累加器计数值为相位值经查表转换为幅度值送入DAC输出对应幅度。设相位累加器为N位，则：
(6)
所以DDS的输出频率为：
(7)
式中：f为输出信号频率，，为参考时钟。通过设置频率字即可控制输出频率，当时，输出频率最低，即频率分辨率：
(8)
最高频率理论上由奈奎斯特抽样定理决定：
(9)
实际器件最大频率只能做到参考时钟的40%左右。
3.AD9835介绍
AD9835是ADI公司生产的一款50MHz直接数字频率合成器、波形发生器。在单个CMOS芯片内集成了32位相位累加器、余弦表和10位电流DAC。提供相位调制和频率调制两种调制能力，最高支持50MHz时钟频率。
该芯片由5V单电源供电，工作功耗仅200mW，具有关断功能，用户可使用一个关断位在不用时关断AD9835，将功耗降低至1.75mW。AD9835频率控制精度可达40亿分之一，在50MHz最大时钟频率下可以实现0.012Hz频率精确度。
AD9835内部含两个频率寄存器、四个相位寄存器，输出频率和相位可以由程序选择、也可以由引脚电平高低选择来自哪个寄存器，因而很适合调制应用，如FSK、PSK等。该芯片同时具有低功耗特性，可用于信号发生器应用，如低频信号发生器、本振等。AD9835的控制接口为三线串行接口，一个写入周期写入16位数据，采用外部写入时钟，写入时钟最高20MHz，常与DSP、单片机等控制器连接。
高频扫频仪的上限可以到几个GHz，但下限往往不能太低，通常在10kHz左右。在音频器件测试中，往往需要测到10kHz以下。因而需要很窄的扫频带宽和很小的频率间隔。AD9835的低成本、低功耗、高精度特性刚好适合这种需求。
4.发射机电路设计
本发射机能够实现100Hz扫频带宽下100个点扫频，即精确到1Hz。输出幅度在50Ω负载上1mVrms-1Vrms可调。电路整体结构如图3所示。
(1)AD9835芯片电路设计。
本发射机中，AD9835电路如图4所示。
扫频仪发射机的设计中，最重要的就是幅频特性要平坦。否则，测得的滤波器网络幅频特性就不是实际器件的反映。DDS的一个特性就是输出幅度随频率增大而明显下降。在高频DDS，如AD9854等，中设计了专门弥补这一下降的反辛格滤波器。此处我们要得到的频率并不很高，但也有衰减。所以，在AD9835的第一引脚，即FSADJ，接到DAC进行微调幅。
(2)低通滤波器设计。
DDS的另一个特性是输出杂散大，必须在输出端加滤波器来抑制时钟信号。DDS的输出端滤波器一般用下降陡峭的椭圆滤波器，但椭圆滤波器通带内有起伏，巴特沃斯滤波器通带平坦，但下降较慢。为了实现通带平坦的特性，同时保证有效抑制时钟信号，我们采用200Ω匹配的高阶巴特沃斯滤波器。
需要注意的是AD9835为单端输出，需要采用交流耦合。
(3)放大、衰减电路设计
发射机要实现1mVrms-1Vrms的幅度可调，必须有增益可调电路。为了保证信号最好的信噪比，我们采用先放大，后衰减的方法。电路的可调幅度必须大于60dB。我们作如下设计，通过AD9835的第一引脚实现10dB任意可调，滤波器端输出经过两级放大器放大到1Vrms，末级放大器要用功放，功放出来的信号进入10dB步进的50dB可调衰减器输出。
(4)发射机PCB中的接地与布局
由于采用了DDS芯片，发射机中既有模拟部分，也有数字部分。在进行PCB制图时需注意模拟地(AGND)、数字地(DGND)的隔离，然而模拟地、数字地又必须接到一起。一种常见的隔离技术是采用单点接地，即模拟地、数字地仅在一点连到一起。如果PCB中仅AD9835芯片需要区分AGND与DGND，则两地的连接点最好设在离AD9835的AGND、DGND引脚处。
在AD9835芯片下面不能走数字信号线，因为数字信号线会使噪声耦合到输出信号中。电源引线应尽量粗，减小压降和电源波动。50MHz时钟信号需用数字地敷铜包围，减小耦合到模拟电路中的噪声强度。顶层和底层走线最好互相垂直，这样可以减小两层信号线间的信号耦合。发射机最好采用四层板，其中一层为大面积连续地层，双面板也能用，但必须合理布线且保留尽可能大面积的底层地。DDS芯片、运放芯片的电源引脚附近必须加0.1uF左右小电容耦合到地，AVDD与AGND耦合，DVDD与DGND耦合。
参考文献
[1]AD9835数据手册.Analog Devices.
[2]Walter G.Jung,OP AMP APPLICATIONS.Analog Devices.
[3]王晓元.扫频仪的原理与维修[M].北京:人民邮电出版社,1985.
作者简介：
李津生（1991—），男，现就读于南京邮电大学电子科学与工程学院电子科学与技术专业。
丁敏（1989—），女，现就读于南京邮电大学电子科学与工程学院电磁场与无线技术专业。