利用單片機和DDS實現(xiàn)高精度頻率綜合源*

汪海燕

(安徽電子信息職業(yè)技術學院 電子信息系，安徽 蚌埠 233060)

當前，通信雷達等很多的電子系統(tǒng)對頻率綜合源的期望非常高，希望同時達到相位噪聲低、頻率分辨率高、帶寬寬、體積小、功耗低等要求.上世紀中后期(70年代)，IC技術和微電子技術的發(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(DDS)，基于相位角度實現(xiàn)頻率合成，存儲技術數(shù)字化，所以頻率范圍寬、頻率精度穩(wěn)定度高、轉換時間短，這些指標表現(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，這個系列全部芯片的輸出無雜散動態(tài)范圍相當寬泛，而且芯片接口類型十分豐富，包括串行并行，同時能輸出各種常規(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，工藝先進，單路3.3V供電.芯片具有48bit，無雜散動態(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)時鐘，為獲得此頻率提供了便利.芯片相位寄存器有14bit，有一個引腳控制實現(xiàn)二相相移鍵控方式，用戶更改信號相位，結合芯片輸入/輸出接口可實現(xiàn)相移鍵控操作.此芯片合成信號在通信、雷達等信號系統(tǒng)應用極其廣泛.

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,另外可以同時結合具體外圍電路，滿足不同具體要求.

控制寄存器在編程時不可或缺，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內部的特定(48bit)的頻率轉換寄存器，使用者能夠依照該表分6次寫入頻率轉換字，然后寫入相關控制寄存器的具體值.此外模式011、100下，需考慮29引腳達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到識別指令字節(jié)寄存器地址的目的(相應的寄存器字節(jié)地址在此過程中自發(fā)生成).通常控制器應當傳送寄存器全部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個區(qū)間.其中前一階段為指令階段，其控制串行時鐘的脈沖邊沿.后一階段是通信階段，在單片機和DDS芯片之間進行數(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單片機芯片，為愛特梅爾公司產(chǎn)品.AT89S52全靜態(tài)操作能達到0Hz～33Hz，全雙工UART串行通道，并有8個中斷源，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，諸多優(yōu)點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

相關硬件電路設計，根據(jù)選用芯片的數(shù)據(jù)手冊來具體考慮.包括結構設計、接口設計.由AD9854構成DDS的組成框圖如圖1所示.該系統(tǒng)由控制模塊(單片機)、AD9854芯片參考時鐘、信號隔離、時鐘激勵、低通濾波器、寬帶放大器、電源等相關電路構成.

AD9854和AT89S52之間沒有直接連接，需要設計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、幅度控制電路設計及其他電路[3，4].

系統(tǒng)軟件方面，將模塊化設計(Block-based design)實施至系統(tǒng)軟件設計之中，即把一個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立，其能夠分別單獨來設計、獨立檢測.模塊化程序設計中，小單元實現(xiàn)簡單，邏輯不復雜，都可單獨完成，也使調試和測試更簡單，程序維護、修改更方便.

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

圖2 程序流程圖

3 測試及結果分析

測試條件如下：

U3751-ADVANTUST頻譜測試儀；

TDS2000-泰克數(shù)字存儲示波器；

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，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，強調高性能，可以選用AD9858、AD9959等芯片，后者四通道，四個DDS核，調頻速度高，輸出信號頻率高.如強調低功耗，減少外圍器件，可以選用工作頻率400MHz的AD9954，亦或AD9952，成本低，方便的實現(xiàn)本系統(tǒng)的調制功能，輸出不失真信號可達160MHz.

文中的頻率合成器采用ADI公司AD9854芯片，結合AT89S52單片機,結構靈活,能實現(xiàn)高精度頻率合成，設計外部接口電路,方便實現(xiàn)模塊化.實驗表明該系統(tǒng)高效、高精度、簡單且可靠.