基于DDS的多通道信號(hào)源設(shè)計(jì)

基于DDS的多通道信號(hào)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(duì)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(hào)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)12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調(diào)頻3路信號(hào)輸出，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)果表明，此方案設(shè)計(jì)的信號(hào)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(hào)；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(shì)。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(guò)C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)源的直接頻率合成器將通過(guò)對(duì)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(hào)輸出。1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與功能單元介紹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(hào)產(chǎn)生芯片采用美國(guó)ADI公司的具有4路通道的DDS芯片AD9959，電源部分采用能提供5V和3.3V的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。2AD9959芯片AD9959是美國(guó)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)500MSPS。該芯片內(nèi)部集成了4個(gè)DDS內(nèi)核，可對(duì)4個(gè)內(nèi)部同步輸出通道進(jìn)行獨(dú)立編程。通過(guò)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165mW?？梢詫?shí)現(xiàn)最多16級(jí)的頻率、相位和幅度調(diào)制(FSK，PSK，ASK)。通過(guò)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(cè)量?jī)x器中，還可以對(duì)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(hào)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(cè)量?jī)x器/儀表、同步時(shí)鐘及RF信號(hào)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500MSPS；(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65dB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(jí)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)0.116Hz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(guò)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1.8V,串行I/O3.3V)；(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)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。CEO5IFA2O AD9959圖2單片機(jī)與AD995多喈商連把示意圖在單片機(jī)編程的主函數(shù)中首先要關(guān)閉看門(mén)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22.1184MHz)和I/O口配置，然后通過(guò)I/O端口對(duì)AD9959進(jìn)行初始化、選擇通道、寫(xiě)入相對(duì)應(yīng)的控制字、發(fā)送I/O_UPDATE信號(hào)，輸出所要求的信號(hào)。單片機(jī)的程序流程圖如圖3所示。圖3程序流程函2.2單頻點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生本系統(tǒng)要產(chǎn)生12MHz和48MHz的正弦波信號(hào)，根據(jù)輸出頻率的計(jì)算公式:f=(FTWfs)/232,可以算出頻率控制字FTW的值為FTW=(fo?232)/fs,當(dāng)fs=500MHz時(shí)，輸出12MHz頻率對(duì)應(yīng)的頻率控制字為：FTW=0624DD2F；48MHz對(duì)應(yīng)的頻率控制字為：FTW=189374BC。然后只需要將控制字寫(xiě)至UAD9995的CTW0寄存器中即可。下面是具體的操作過(guò)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100MHz,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/OBuffer。(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/OBuffer。(7)發(fā)送I/O_UPDATE信號(hào)，將I/OBuffer中的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部寄存器(ActiveRegister)。輸出信號(hào)的波形可以在測(cè)試結(jié)果與分析中的圖4和圖5看到。

二.』?i-.-Juul 川二.』?i-.-Juul 川'v-i2MHz-弓：y二號(hào)糜出。0：抬＞2.3線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生AD9959沒(méi)有直接產(chǎn)生線性調(diào)頻的功能模式，但是可以通過(guò)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(guò)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(guò)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(hào)。對(duì)于線性調(diào)頻工作狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，還有一點(diǎn)需要說(shuō)明。由于線性調(diào)頻信號(hào)是有時(shí)寬限制的，因此在輸出線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)候，需要外部定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行精確控制。本系統(tǒng)需要產(chǎn)生帶寬30MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，在這里將中心頻率設(shè)為50MHz,故起始頻率設(shè)為35MHz,結(jié)束頻率設(shè)為65MHz,上升掃頻步進(jìn)頻率設(shè)為1kHz,上升掃頻駐留時(shí)間設(shè)為最小值8ns,然后給系統(tǒng)送一個(gè)I/O_UPDATE信號(hào)，把將寫(xiě)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(kāi)始從起始頻率

掃向結(jié)束頻率，每過(guò)8ns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(guò)程的時(shí)間總共為240$即時(shí)寬為240s）定時(shí)器精確定時(shí)240s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(hào)了，其實(shí)際輸出波形如圖6所示。JF■K■mrwr圖笆帶直30MHx線強(qiáng)滿建格F罅甯3測(cè)試結(jié)果與分析經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最終輸出了單頻點(diǎn)的12MHz，48MHz信號(hào)和帶寬為30MHz的線性調(diào)頻信號(hào)。下面是測(cè)試所得圖片。圖4顯示了12MHz信號(hào)輸出波形?？梢钥闯觯洳ㄐ问д娑刃?，而且實(shí)測(cè)輸出頻率為11.9986MHz，非常接近12MHz，波動(dòng)范圍為11.914MHz到12.073MHz,輸出頻率穩(wěn)定。圖5顯示了48MHz信號(hào)輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實(shí)測(cè)輸出頻率為48.01721MHz,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30MHz線性調(diào)頻信號(hào)的輸出波形?？梢钥闯?，輸出信號(hào)的波形幅度穩(wěn)定，相位連續(xù)，失真度小。4結(jié)語(yǔ)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