用AD9912實(shí)現(xiàn)的多功能低相噪信號(hào)發(fā)生器

陳少雄 林盛鑫 陳冰兒

(東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東東莞 523808)

信號(hào)源設(shè)備是電子技術(shù)領(lǐng)域一種常用的儀器，在雷達(dá)、通信、電子測(cè)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著各行業(yè)對(duì)信號(hào)源性能要求的不斷提高，需要達(dá)到的頻率范圍越來(lái)越廣，并需要有良好的精度和穩(wěn)定度，傳統(tǒng)的信號(hào)源已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前電子技術(shù)領(lǐng)域研究的需求，針對(duì)以上需求，頻率合成技術(shù)逐步形成[2]。

現(xiàn)有大多數(shù)的信號(hào)發(fā)生器是采用直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)技術(shù)，支持產(chǎn)生正弦波頻率僅有幾百千赫。利用DDS芯片AD9912產(chǎn)生頻率范圍為1 Hz～400 MHz信號(hào)源，支持點(diǎn)頻和掃頻模式，最小頻率分辨率可達(dá)到1 Hz，最小時(shí)間間隔為1 ms，系統(tǒng)支持調(diào)幅、調(diào)頻，分辨率調(diào)節(jié)。DDS技術(shù)是第三代頻率合成技術(shù)，具有很多頻率分辨率高、相位噪聲低、科技小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 直接頻率合成技術(shù)

1.1 DDS技術(shù)的基本原理及結(jié)構(gòu)

如圖1所示，DDS主要是由是相位累加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成。由奈奎斯特采樣定律可知，從正弦信號(hào)的相位出發(fā)，經(jīng)過(guò)抽樣、量化、編碼等計(jì)算過(guò)程，得到一個(gè)離散的正弦函數(shù)表，存到波形存儲(chǔ)器ROM中。DDS內(nèi)部均為以系統(tǒng)參考時(shí)鐘為基準(zhǔn)同步工作，相位累加器根據(jù)頻率控制字在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線(xiàn)性相位取樣，每次取樣的值會(huì)送入波形存儲(chǔ)器ROM中進(jìn)行尋址，得到該處相位對(duì)應(yīng)的正弦波的賦值，每個(gè)正弦波賦值連接起來(lái)得到一個(gè)模擬的階梯波，最后將階梯波送入低通濾波器得到所需頻率的正弦波[4]。

圖1 DDS的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 DDS的數(shù)學(xué)原理

理想正弦波信號(hào)S(t)可表示為

S(t)=Asin(2πf0t+φ) ，

(1)

式(1)說(shuō)明理想正弦信號(hào)源的頻譜在幅度和初始相位不變的情況下是一條關(guān)于f0的譜線(xiàn)。為簡(jiǎn)化分析，令A(yù)=1,φ=0，即

S(t)=sin(2πf0t)=sinθ(t)，

(2)

對(duì)式(2)的信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣周期為T(mén)c，即離散的波形序列為

S(n)=sin(2πf0n)，

(3)

由式(3)可知，連續(xù)兩次采樣之間相位增量為

(4)

(5)

相應(yīng)的模擬信號(hào)為

(6)

(7)

由式(7)分析可知，通過(guò)改變頻率控制字FTW就可以改變輸出頻率，DDS輸出的分辨率為

(8)

1.3 DDS技術(shù)的特點(diǎn)

直接頻率合成技術(shù)相比于直接頻率合成技術(shù)和間接頻率合成技術(shù)有一定的優(yōu)勢(shì)。

1.3.1 分辨率較高

由式(8)可知，最小分辨率與相位累加器的位數(shù)N和系統(tǒng)時(shí)鐘有關(guān)?？梢赃x擇相位累加器位數(shù)較高的DDS芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)生成具有較高頻率分辨率,而生成波形的相位通常與DDS芯片中的相位累加器的位數(shù)有關(guān)[6]。ADI公司的AD9912芯片內(nèi)置48位的相位累加器，一個(gè)14位的相位寄存器，在系統(tǒng)的參考時(shí)鐘為1 GHz的前提下，該DDS的分辨率為

其相位分辨率為

可以看出，DDS的最小頻率分辨率可以達(dá)到uHz級(jí)別，最小相位分辨率也很高，這是間接頻率合成技術(shù)和直接模擬頻率合成技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的。

1.3.2 輸出頻率范圍寬

DDS的輸出頻點(diǎn)數(shù)量與N有關(guān)，而當(dāng)FTW=0時(shí)，fout=0 Hz；

1.3.3 頻率切換速度快

如圖1所示，在DDS系統(tǒng)中FTW的傳遞速度只與系統(tǒng)采樣頻率fc和DDS系統(tǒng)的長(zhǎng)度有關(guān)，與頻率分辨率無(wú)關(guān)，如果低通濾波器的頻率響應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，DDS的切換速度可以達(dá)到微秒級(jí)別。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AD9912模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，時(shí)鐘輸入端采用低頻率25 MHz晶體震蕩器作為輸入基準(zhǔn)信號(hào)，使用AD9912內(nèi)部鎖相環(huán)電路，需通過(guò)編程控制寄存器0x0020和0x0022，設(shè)置反饋分頻器的分頻模數(shù)，得到DDS進(jìn)行線(xiàn)性相位取樣的系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖2 AD9912模塊電路設(shè)計(jì)

內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)電路集成分頻器、鑒相器、壓控振蕩器[8]，故需設(shè)計(jì)外接的環(huán)路濾波器，而外部環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)會(huì)影響鎖相環(huán)的帶寬，壓控振蕩器的名義增益是800 MHz/V，環(huán)路帶寬大約在1.6 MHz，電荷泵電流設(shè)在250 μA，設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器由C55、C56、R5構(gòu)成。

由于AD9912的輸出為差分信號(hào)，選用ADT1-1WT作為巴倫電路，進(jìn)行雙端平衡到非平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)

DDS輸出的雜散主要來(lái)自DAC非理想特性、分辨率較低等原因，需設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾除[9]。濾波器的類(lèi)型主要分為有源和無(wú)源濾波器，有源濾波器中通常有運(yùn)算放大器等有源器件，由于運(yùn)算放大器的存在，會(huì)使得濾波的頻帶寬度受到限制，不符合設(shè)計(jì)的要求。無(wú)源濾波器只含有電容、電感、電阻三種元器件，不需要電源供電即可工作，且在高頻工作時(shí)頻帶較寬[10]。

通過(guò)對(duì)幾種類(lèi)型的低通濾波器比較可知，巴特沃思濾波器的過(guò)渡帶較為平緩，切比雪夫?yàn)V波器的瞬態(tài)特性較差，而對(duì)于給定的通帶紋波要求和階數(shù)要求，橢圓濾波器的過(guò)渡帶很窄，并且下降迅速。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，設(shè)計(jì)一個(gè)7階的橢圓濾波器，截止頻率為440 MHz，通帶紋<0.1 dB，帶外最小衰減為60 dB。

圖3 七階橢圓低通濾波器

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 OLED屏幕驅(qū)動(dòng)

SSD1306點(diǎn)陣屏的分辨率為128*64，每頁(yè)含有128 byte，共有8頁(yè)。BS0、BS1、BS2用于選擇通信協(xié)議，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)OLED屏幕使用的是SPI協(xié)議，因此BS0=BS1=BS2=0。

OLED屏幕主要實(shí)現(xiàn)在上電時(shí)屏幕顯示初始化信息，“Singal”“Generator”“Freq：1 Hz～450 MHz”“AD9912-1GHz-V1”。延時(shí)后將當(dāng)前頁(yè)面刷新，將初始頻率、終止頻率、掃頻時(shí)間間隔、掃頻步長(zhǎng)、幅值信息等顯示到新的頁(yè)面，根據(jù)按鍵控制的信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的操作。

3.2 AD9912驅(qū)動(dòng)

AD9912采用串行控制端口靈活的SPI協(xié)議，可配置為一個(gè)雙向的I/O引腳或兩個(gè)單向的I/O引腳，所有的串口操作都依賴(lài)于DAC系統(tǒng)時(shí)鐘的存在。系統(tǒng)中采用3線(xiàn)制SPI模式，SCLK為串行移位時(shí)鐘，SDIO作為數(shù)據(jù)雙向輸入輸出引腳，CSB為片選信號(hào)。

設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用內(nèi)部RC振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘，寫(xiě)操作時(shí)序如圖4所示R/表明該指令是讀或?qū)?，?shù)據(jù)[W1:W0]指明傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，R單片機(jī)將CS拉低使能AD9912，在時(shí)鐘上升沿來(lái)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，從最高位起，依次向下傳輸，直到最低為L(zhǎng)SB發(fā)送完成。

圖4 AD9912寫(xiě)1字節(jié)數(shù)據(jù)

如圖5所示，在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期，單片機(jī)首先拉低片選信號(hào)，將CS置低，待發(fā)送的數(shù)據(jù)為SendValue，其位數(shù)為24。待檢測(cè)到讀寫(xiě)位為1時(shí)，在每次數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿寫(xiě)入，將數(shù)據(jù)的第i位發(fā)送到端口緩存器，同時(shí)左移1位，i加1，當(dāng)檢測(cè)到i不小于24時(shí)，表示當(dāng)前寄存器的值全部寫(xiě)入AD9912，此時(shí)數(shù)據(jù)保存在串行端口緩存器，當(dāng)更新時(shí)鐘IO_UPDATA到來(lái)時(shí)，將端口緩存器的置輸入到寄存器中。

圖5 寫(xiě)操作數(shù)據(jù)周期程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

AD9912模塊的輸出焊接了SMA接口，需用測(cè)試儀器示波器、頻譜儀及萬(wàn)用表。樣機(jī)輸出端的SMA接口與示波器的通道1通過(guò)同軸電纜相連，用萬(wàn)用表檢查5 V、3 V、1.8 V處的電壓是否正常。圖6為測(cè)試波形。

圖6 掃頻輸出

相位噪聲是將信號(hào)對(duì)時(shí)序的變化在頻率域顯示出來(lái)，是描述信號(hào)源好壞的重要指標(biāo)之一。如果一個(gè)信號(hào)沒(méi)有相位噪聲，那么該信號(hào)的功率都集中在f=f0處。相位噪聲一般是指在某一個(gè)給定的偏移頻率處的dBc/Hz。一般都是將信號(hào)源的輸出與頻譜分析儀相連。測(cè)試使用的是RIGOL的頻譜分析儀，使用頻譜儀的GTSA模式，使用Trace功能，將分辨率帶寬RBW(Resolution Bandwith)設(shè)置為100 kHz，在樣機(jī)的點(diǎn)頻模式下對(duì)信號(hào)的噪聲進(jìn)行測(cè)量。

頻譜儀上所測(cè)量數(shù)值是在等效帶寬內(nèi)的功率電平，需將該數(shù)據(jù)根據(jù)頻譜儀所設(shè)定的RBW轉(zhuǎn)化為1Hz的單位功率帶寬，計(jì)算過(guò)程為

則根據(jù)相位噪聲的計(jì)算公式可得

(9)

由圖7、圖8計(jì)算可得，當(dāng)200 MHz，頻偏為100 kHz時(shí)，相位噪聲為L(zhǎng)(100 kHz) = -10.14-50=-60.14(dBc/Hz);當(dāng)100 MHz，頻偏為1 MHz時(shí)，相位噪聲為L(zhǎng)(1 MHz)=-43.02-50 =-93.02(dBc/Hz)。

圖7 100 MHz頻偏1 MHz

圖8 200 MHz頻偏100 kHz

5 結(jié)語(yǔ)

利用集成的DDS芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)多功能低相噪的信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻及掃頻的功能，調(diào)幅、調(diào)節(jié)分辨率和掃頻時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)1Hz～400MHz寬范圍的信號(hào)輸出，利用STC單片機(jī)作為微處理器進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。結(jié)合DDS技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DDS多功能信號(hào)源，控制方便、便于觀察，產(chǎn)生的正弦波信號(hào)波形光滑、相位噪聲低，可通過(guò)進(jìn)一步提高頻率和幅度，加入調(diào)相功能，應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備中。