基于DDS的多通道信號源設(shè)計(jì)

摘要：為滿足航空電子、雷達(dá)設(shè)備和通信系統(tǒng)等領(lǐng)域相對低相位噪聲、穩(wěn)定工作、高分辨率、快頻率轉(zhuǎn)換以及低功耗的通用信號源的需求，提出了一種采用高性能控制器C8051F020控制AD9959頻率合成芯片的設(shè)計(jì)方法和軟件設(shè)計(jì)流程，最終實(shí)現(xiàn)了單頻點(diǎn)12 MHz，48 MHz和帶寬30 MHz的線性調(diào)頻3路信號輸出，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。測試結(jié)果表明，此方案設(shè)計(jì)的信號源具有頻譜純，相噪低，轉(zhuǎn)換時(shí)間快等特點(diǎn)，可滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成；AD9959；線性調(diào)頻信號；C8051F020單片機(jī)

0 引言
    頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備之一。低相位噪聲、高頻譜純度、高捷變速率和高頻率分辨率的頻率合成器已經(jīng)成為頻率合成技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)，它的主要特點(diǎn)包括使用方便靈活，具有變頻范圍廣，頻率步進(jìn)小，幅度和頻率精度高，調(diào)諧方便，體積小，重量輕以及易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
     本文通過C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對AD9959頻率合成芯片的連接控制，結(jié)合少量外圍電路即構(gòu)成一個(gè)完整的低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度、高可靠性的頻率合成器。本信號源的直接頻率合成器將通過對單片機(jī)C8051F020的標(biāo)準(zhǔn)SPI端口編程控制AD9959芯片的寄存器，從而實(shí)現(xiàn)單頻點(diǎn)12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調(diào)頻3路相參信號輸出。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與功能單元介紹
1．1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的主控芯片采用了新華龍公司的C8051F020單片機(jī)，信號產(chǎn)生芯片采用美國ADI公司的具有4路通道的DDS芯片AD9959，電源部分采用能提供5 V和3．3 V的穩(wěn)壓開關(guān)電源。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1．2 AD9959芯片
    AD9959是美國ADI公司最新推出的一款四通道、低功耗、高速直接數(shù)字頻率合成器，采樣頻率高達(dá)500 MSPS。該芯片內(nèi)部集成了4個(gè)DDS內(nèi)核，可對4個(gè)內(nèi)部同步輸出通道進(jìn)行獨(dú)立編程。通過1個(gè)公用系統(tǒng)時(shí)鐘在芯片內(nèi)部同步其獨(dú)立的通道，每個(gè)通道的功率小于165 mW?？梢詫?shí)現(xiàn)最多16級的頻率、相位和幅度調(diào)制(FSK，PSK，ASK)。通過應(yīng)用數(shù)據(jù)到配置管腳可控制調(diào)制水平。另外，也可以工作在線性掃頻、掃相或掃幅模式。應(yīng)用到雷達(dá)和測量儀器中，還可以對由于模擬處理(例如濾波、放大)或者PCB布線失配而產(chǎn)生外部信號通道的不均衡進(jìn)行有效的校正。
    該器件集成了具有突出的寬帶和窄帶SFDR特性的4路高速10位DAC。每一個(gè)通道都具有32位頻率控制字，14位相位控制字，10位輸出幅度控制字。它被廣泛地應(yīng)用在本地振蕩源、相控陣列雷達(dá)／聲納系統(tǒng)、測量儀器／儀表、同步時(shí)鐘及RF信號源等方面。其特性如下：
    (1)有4路帶10位DAC的DDS通道，最高取樣頻率為500 MSPS；
    (2)各個(gè)通道都有獨(dú)立的頻率／相位／幅度控制功能；
    (3)大于65 dB的通道隔離度；
    (4)線性頻率／相位／幅度掃描功能；
    (5)最高可達(dá)16級的頻率／相位／幅度調(diào)制；
    (6)DAC既可縮放電流又可獨(dú)立編程；
    (7)0．116 Hz或者更好的頻率調(diào)整分辨率；
    (8)32位頻率分辨率；
    (9)14位相位偏移分辨率；
    (10)10位輸出幅度可縮放的分辨率；
    (11)具有增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量的串行I／O口(SPI)；
    (12)可通過軟件／硬件控制節(jié)電模式，以降低功耗；
    (13)雙電源供應(yīng)(DDS核1．8 V，串行I／O 3．3 V)；
    (14)內(nèi)置多器件同步功能；
    (15)內(nèi)置時(shí)鐘倍頻鎖相環(huán)(4～20倍倍頻)；
    (16)可選擇參考時(shí)鐘源。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 程序設(shè)計(jì)流程
    該系統(tǒng)中主要使用了帶有SPI總線的C8051F020單片機(jī)的P1和P2幾個(gè)I／O端口，它們與AD9959的連接示意圖如圖2所示。

    在單片機(jī)編程的主函數(shù)中首先要關(guān)閉看門狗，否則每當(dāng)執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)，程序?qū)?huì)跳轉(zhuǎn)到入口點(diǎn)從頭執(zhí)行。接著初始化單片機(jī)的時(shí)鐘(使用外部高精度、高穩(wěn)定度晶振22．118 4 MHz)和I／O口配置，然后通過I／O端口對AD9959進(jìn)行初始化、選擇通道、寫入相對應(yīng)的控制字、發(fā)送I／O_UPDATE信號，輸出所要求的信號。單片機(jī)的程序流程圖如圖3所示。

2．2 單頻點(diǎn)信號產(chǎn)生
    本系統(tǒng)要產(chǎn)生12 MHz和48 MHz的正弦波信號，根據(jù)輸出頻率的計(jì)算公式：f=(FTW·fs)／232，可以算出頻率控制字FTW的值為FTW=(fo·232)／fs，當(dāng)fs=500 MHz時(shí)，輸出12 MHz頻率對應(yīng)的頻率控制字為：FTW=0624DD2F；48 MHz對應(yīng)的頻率控制字為：FTW=189374BC。然后只需要將控制字寫到AD9995的CTW0寄存器中即可。下面是具體的操作過程：
    (1)AD9959初始化，使其內(nèi)部寄存器處于初始狀態(tài)，即工作模式為單頻模式，頻率控制字和相位控制字均置0，Single-Bit串行數(shù)據(jù)傳輸。
    (2)設(shè)置系統(tǒng)參考頻率為100 MHz，倍頻為PLL=5。
    (3)通道0使能位置1，其他通道使能位都置0。
    (4)使用串行I／O口，發(fā)送通道0所需要的頻率控制字0624DD2F到I／O Buffer。
    (5)通道1使能位置1，其他通道使能位均置0。
    (6)使用串行I／O口，發(fā)送通道1所需要的頻率控制字189374BC到I／O Buffer。
    (7)發(fā)送I／O_UPDATE信號，將I／O Buffer中的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部寄存器(Active Register)。
    輸出信號的波形可以在測試結(jié)果與分析中的圖4和圖5看到。

2．3 線性調(diào)頻信號產(chǎn)生
    AD9959沒有直接產(chǎn)生線性調(diào)頻的功能模式，但是可以通過間接的方法實(shí)現(xiàn)此功能，其原理與能產(chǎn)生線性調(diào)頻的AD9854一樣，都是在線性掃頻的過程中改變掃頻步進(jìn)控制字(RDW／FDW)和掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR／FSRR)。所以只有在AD9959掃頻的過程中根據(jù)實(shí)際需要不停地更改RDW／FDW和RSRR／FSRR，就可以得到線性調(diào)頻信號。
    對于線性調(diào)頻工作狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，還有一點(diǎn)需要說明。由于線性調(diào)頻信號是有時(shí)寬限制的，因此在輸出線性調(diào)頻信號的時(shí)候，需要外部定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)對時(shí)寬的控制。
    具體操作為：先把線性掃頻模式配置為非駐留線性掃頻模式，然后指定起始頻率、結(jié)束頻率、上升掃頻步進(jìn)控制字(RDW)和上升掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR)，最后利用單片機(jī)的定時(shí)器精確定時(shí)控制P2管腳，以對線性調(diào)頻信號進(jìn)行精確控制。
    本系統(tǒng)需要產(chǎn)生帶寬30 MHz的線性調(diào)頻信號，在這里將中心頻率設(shè)為50 MHz，故起始頻率設(shè)為35 MHz，結(jié)束頻率設(shè)為65 MHz，上升掃頻步進(jìn)頻率設(shè)為1 kHz，上升掃頻駐留時(shí)間設(shè)為最小值8 ns，然后給系統(tǒng)送一個(gè)I／O_UPDATE信號，把將寫入到寄存器的值導(dǎo)入到DDS內(nèi)核中。
    當(dāng)P2由低電平變到高電平時(shí)(具有I／O_UPDATE功能)，AD9959就開始從起始頻率掃向結(jié)束頻率，每過8 ns芯片自動(dòng)將RDW的值送到頻率累加器(不是相位累加器)，以線性改變輸出的頻率值，當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)束頻率時(shí)，DDS芯片會(huì)自動(dòng)返回到起始頻率。此過程的時(shí)間總共為240μs(即時(shí)寬為240μs)，定時(shí)器精確定時(shí)240μs后，P2取反，周期變化，這樣就可以周期地產(chǎn)生線性調(diào)頻信號了，其實(shí)際輸出波形如圖6所示。

3 測試結(jié)果與分析
    經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最終輸出了單頻點(diǎn)的12 MHz，48 MHz信號和帶寬為30 MHz的線性調(diào)頻信號。下面是測試所得圖片。
    圖4顯示了12 MHz信號輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實(shí)測輸出頻率為11．9986MHz，非常接近12MHz，波動(dòng)范圍為11．914 MHz到12．073 MHz，輸出頻率穩(wěn)定。
    圖5顯示了48 MHz信號輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實(shí)測輸出頻率為48．017 21 MHz，與所要求的輸出頻率相差不大，輸出頻率穩(wěn)定。
    圖6顯示了帶寬為30 MHz線性調(diào)頻信號的輸出波形。可以看出，輸出信號的波形幅度穩(wěn)定，相位連續(xù)，失真度小。

4 結(jié)語
    DDS作為一種成熟的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)就是在DDS芯片AD9959的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了2 kHz～200 MHz頻段任意頻點(diǎn)的正弦波信號輸出以及帶寬為30 MHz的線性調(diào)頻信號輸出，AD9959有4個(gè)輸出通道，通道之間隔離度均值達(dá)到了74．2 dBm，具有良好的隔離度，其輸出信號經(jīng)示波器、頻譜儀分析穩(wěn)定性好，頻率相位分辨率高，相噪低，能滿足無源雷達(dá)信號源以及其他設(shè)備信號源的要求，具有很好．的應(yīng)用價(jià)值。