利用單片機(jī)和DDS實(shí)現(xiàn)高精度頻率綜合源*

汪海燕

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，安徽 蚌埠 233060)

當(dāng)前，通信雷達(dá)等很多的電子系統(tǒng)對頻率綜合源的期望非常高，希望同時(shí)達(dá)到相位噪聲低、頻率分辨率高、帶寬寬、體積小、功耗低等要求.上世紀(jì)中后期(70年代)，IC技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢異常迅猛，涌現(xiàn)出很多種新穎的頻率合成方法.其中的直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)(DDS)，基于相位角度實(shí)現(xiàn)頻率合成，存儲(chǔ)技術(shù)數(shù)字化，所以頻率范圍寬、頻率精度穩(wěn)定度高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短，這些指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異.可以說，這是一種全新的頻率合成手段，帶來頻率合成技術(shù)的一波革新[1].

1 AD9854芯片介紹

ADI公司(Analog Devices,Inc)生產(chǎn)眾多類型DDS集成芯片，在DDS芯片市場占有統(tǒng)治性地位.AD985X系列是ADI公司推出較早，市場口碑較好的系列之一，屬于低功耗、高性能型的芯片.AD985X系列工作頻率高，極限工作頻率超過1GHz，這個(gè)系列全部芯片的輸出無雜散動(dòng)態(tài)范圍相當(dāng)寬泛，而且芯片接口類型十分豐富，包括串行并行，同時(shí)能輸出各種常規(guī)正弦、余弦、方波波形[2].

1.1 AD9854芯片

AD9854芯片集成度高，采用0.35umCMOS技術(shù)，工藝先進(jìn)，單路3.3V供電.芯片具有48bit，無雜散動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)異.在數(shù)字控制字下，控制輸出的信號頻率，產(chǎn)生正交頻率信號.AD9854可以合成相位、頻率、幅度可控的穩(wěn)定信號.參考時(shí)鐘具有4×～20×倍乘器，能夠在外部信號有限的情況下，產(chǎn)生600MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，為獲得此頻率提供了便利.芯片相位寄存器有14bit，有一個(gè)引腳控制實(shí)現(xiàn)二相相移鍵控方式，用戶更改信號相位，結(jié)合芯片輸入/輸出接口可實(shí)現(xiàn)相移鍵控操作.此芯片合成信號在通信、雷達(dá)等信號系統(tǒng)應(yīng)用極其廣泛.

1.2 AD9854的工作模式

此芯片具有FSK、CHIRP、SINGLE-TONE、RAMPED FSK、BPSK 5種可編程的使用方式，受三位控制寄存器控制，在每一種模式下，具有不同功能.表1列出了具體工作模式情況下所具有的對應(yīng)功能.

表1 AD9854工作模式

1.3 AD9854的使用

AD9854芯片的使用，基于用戶編程來控制，讀寫芯片寄存器,另外可以同時(shí)結(jié)合具體外圍電路，滿足不同具體要求.

控制寄存器在編程時(shí)不可或缺，非常重要.其每一位都直接影響AD9854的操作，具體位所表示的含義見表2.

表2 頻率控制字各位

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AD9854內(nèi)部的特定(48bit)的頻率轉(zhuǎn)換寄存器，使用者能夠依照該表分6次寫入頻率轉(zhuǎn)換字，然后寫入相關(guān)控制寄存器的具體值.此外模式011、100下，需考慮29引腳達(dá)到頻移鍵控和二相相移鍵控工作模式.

1.4 AD9854的串行操作

考慮AD9854串行操作，特定指令字節(jié)用來指定地址，包括讀寫操作和寄存器地址.對于DDS串行操作，在寄存器上執(zhí)行，所以串行端口控制器要能夠達(dá)到識(shí)別指令字節(jié)寄存器地址的目的(相應(yīng)的寄存器字節(jié)地址在此過程中自發(fā)生成).通?？刂破鲬?yīng)當(dāng)傳送寄存器全部Bit，又由于IOSYNC指令能夠中斷一次I/O操作，因此只需傳送部分Bit.

通常串行通信周期可以劃分前后2個(gè)區(qū)間.其中前一階段為指令階段，其控制串行時(shí)鐘的脈沖邊沿.后一階段是通信階段，在單片機(jī)和DDS芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.具體格式見表3.

表3 AD9854串行通信指令字格式

2 用AD9854快速開發(fā)頻率綜合源的實(shí)例

信號的產(chǎn)生采用DDS專用芯片AD9854，控制芯片采用AT89S52單片機(jī)芯片，為愛特梅爾公司產(chǎn)品.AT89S52全靜態(tài)操作能達(dá)到0Hz～33Hz，全雙工UART串行通道，并有8個(gè)中斷源，兼容性能方面表現(xiàn)也很優(yōu)秀.AT89S52為低功耗、高性能單片機(jī)，諸多優(yōu)點(diǎn)使得它成為諸多控制場合獲取靈活、可靠方案的選擇.

圖1 頻率綜合源組成框圖

相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)，根據(jù)選用芯片的數(shù)據(jù)手冊來具體考慮.包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì).由AD9854構(gòu)成DDS的組成框圖如圖1所示.該系統(tǒng)由控制模塊(單片機(jī))、AD9854芯片參考時(shí)鐘、信號隔離、時(shí)鐘激勵(lì)、低通濾波器、寬帶放大器、電源等相關(guān)電路構(gòu)成.

AD9854和AT89S52之間沒有直接連接，需要設(shè)計(jì)兩者之間的接口電路，不僅可以將AT89S52的控制字傳送至AD9854芯片，還可以很好解決電源之間的匹配問題(3.3v～5v).具體來說，主要包括控制電路、電源、復(fù)位電路的解決措施.另外亦考慮電平隔離電路、低通濾波電路、幅度控制電路設(shè)計(jì)及其他電路[3，4].

系統(tǒng)軟件方面，將模塊化設(shè)計(jì)(Block-based design)實(shí)施至系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)之中，即把一個(gè)功能較大完整程序模塊，分解為相對較小模塊,分解后較小的子程序或模塊功能相對獨(dú)立，其能夠分別單獨(dú)來設(shè)計(jì)、獨(dú)立檢測.模塊化程序設(shè)計(jì)中，小單元實(shí)現(xiàn)簡單，邏輯不復(fù)雜，都可單獨(dú)完成，也使調(diào)試和測試更簡單，程序維護(hù)、修改更方便.

高速單片機(jī)完成AD9854芯片的初始化，頻率信息和控制信號由用戶實(shí)時(shí)送入，合成之后的信號輸出至外圍電路.此外，用戶與單片機(jī)的通信速度，以及程序中的指令數(shù)，都會(huì)直接影響頻率轉(zhuǎn)換速度[5，6].程序流程如圖2所示.

圖2 程序流程圖

3 測試及結(jié)果分析

測試條件如下：

U3751-ADVANTUST頻譜測試儀；

TDS2000-泰克數(shù)字存儲(chǔ)示波器；

JWY-30C型直流穩(wěn)壓電源.

考慮單音輸出.參考信號選擇50MHz，令M=4.特將測試點(diǎn)選擇在芯片的輸出引腳(Iout)處，用ADVANTUST公司的U3751頻譜分析儀采集未經(jīng)濾波的輸出信號，得到頻譜圖分別如圖3～圖4所示.

圖3 頻率綜合源輸出頻率為46.5MHz

圖4 頻率綜合源輸出頻率為55MHz

頻譜分析儀接入口加了15dB衰減，實(shí)際信號功率為-7～-8dBm左右，滿足混頻器要求，頻率精度也很高，只有幾十赫茲的偏差.雜散功率低于-70dBm.

圖5、圖6兩圖是展寬，Span=5KHz時(shí)，輸出46.5MHz(圖5)與信號發(fā)生器輸出1.5MHz(圖6)的比較圖.比較發(fā)現(xiàn)輸出的信號與頻率綜合源波形類似，帶寬基本一致，說明輸出信號帶內(nèi)雜散很小.

圖5 頻率綜合源輸出頻率為46.5MHz

圖6 頻率綜合源輸出頻率為1.5MHz

4 結(jié)束語

DDS芯片性能優(yōu)劣直接影響頻率綜合源的輸出信號[7]，因此考慮性能、功耗等要素，可選擇新一代DDS芯片.譬如，強(qiáng)調(diào)高性能，可以選用AD9858、AD9959等芯片，后者四通道，四個(gè)DDS核，調(diào)頻速度高，輸出信號頻率高.如強(qiáng)調(diào)低功耗，減少外圍器件，可以選用工作頻率400MHz的AD9954，亦或AD9952，成本低，方便的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的調(diào)制功能，輸出不失真信號可達(dá)160MHz.

文中的頻率合成器采用ADI公司AD9854芯片，結(jié)合AT89S52單片機(jī),結(jié)構(gòu)靈活,能實(shí)現(xiàn)高精度頻率合成，設(shè)計(jì)外部接口電路,方便實(shí)現(xiàn)模塊化.實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)高效、高精度、簡單且可靠.