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[導(dǎo)讀]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)計方法和軟件設(shè)計流

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)計方法和軟件設(shè)計流程,最終實現(xiàn)了單頻點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)計的信號源具有頻譜純,相噪低,轉(zhuǎn)換時間快等特點,可滿足實際系統(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,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,從而實現(xiàn)單頻點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)計與功能單元介紹
1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    本設(shè)計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DDS內(nèi)核,可對4個內(nèi)部同步輸出通道進(jìn)行獨立編程。通過1個公用系統(tǒng)時鐘在芯片內(nèi)部同步其獨立的通道,每個通道的功率小于165 mW??梢詫崿F(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)各個通道都有獨立的頻率/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)置時鐘倍頻鎖相環(huán)(4~20倍倍頻);
    (16)可選擇參考時鐘源。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 程序設(shè)計流程
    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)行到斷點時,程序?qū)D(zhuǎn)到入口點從頭執(zhí)行。接著初始化單片機(jī)的時鐘(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,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)和掃頻駐留時間控制字(RSRR/FSRR)。所以只有在AD9959掃頻的過程中根據(jù)實際需要不停地更改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)的實現(xiàn),還有一點需要說明。由于線性調(diào)頻信號是有時寬限制的,因此在輸出線性調(diào)頻信號的時候,需要外部定時器來實現(xiàn)對時寬的控制。
    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)和上升掃頻駐留時間控制字(RSRR),最后利用單片機(jī)的定時器精確定時控制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,上升掃頻駐留時間設(shè)為最小值8 ns,然后給系統(tǒng)送一個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(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,DDS芯片會自動返回到起始頻率。此過程的時間總共為240μs(即時寬為240μs),定時器精確定時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,其實際輸出波形如圖6所示。



3 測試結(jié)果與分析
    經(jīng)過實驗調(diào)試,最終輸出了單頻點的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??梢钥闯?,其波形失真度小,而且實測輸出頻率為11.9986MHz,非常接近12MHz,波動范圍為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??梢钥闯?,其波形失真度小,而且實測輸出頻率為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??梢钥闯?,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)上實現(xiàn)了2 kHz~200 MHz頻段任意頻點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)用價值。

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