基于單片機和DDS的高頻信號源的設計

中北大學計算機與控制工程學院 宋雁鵬

基于單片機和DDS的高頻信號源的設計

中北大學計算機與控制工程學院 宋雁鵬

聲光可調諧濾光器（Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF）與傳統的分光器件（如棱鏡）相比，其分光功能的實現對信號源具有較高的要求，根據AOTF對不同頻率高頻信號的響應的特點，利用直接數字頻率合成器（DDS）及單片機設計了一個在30-250MHz頻段內任意頻率，幅值、相位可調的高頻信號源。該系統主要包括單片機控制模塊、DDS信號發生模塊、信號濾波電路三部分組成。通過單片機控制DDS進行頻率合成，經實驗證明，該電路能夠在30-250MHz范圍內任意頻率點處輸出幅度可調的正弦信號，滿足AOTF工作要求。

AOTF；AD9910；單片機

1 引言

AOTF要實現分光作用,需要在其換能器端施加某一固定頻率的高頻信號,當該信號與入射到AOTF里的準直復色光相互作用,且滿足反常布拉格(Bragg)衍射條件時,AOTF會衍射出不同波長的光,其光波波長與所施加的信號源頻率一一對應[1]。隨著科學技術的發展,頻率合成技術從開始的直接頻率合成DS(Direct Synthesis)逐漸發展為目前的以直接數字頻率合成技術DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)為代表的第三代頻率合成技術,具有頻率分辨率高、頻率轉換速度快、頻率相位可控、全數字集成化等特點[2-3]。本系統采用DDS產生高頻信號作為驅動信號源,通過C8051F020單片機對其進行控制,輸出信號頻率分辨率為0.1KHz。

圖1 信號源總體框圖

2 硬件電路設計

系統總體框圖如圖1所示,主要由控制電路模塊、頻率合成模塊和濾波電路模塊等部分組成。通過串口轉換芯片MAX3232實現上、下位機之間的通信。單片機接收到上位機下達的指令后解析,生成所需要的頻率控制字,通過調整頻率控制字來控制DDS輸出不同頻率的信號。DDS選用AD公司的AD9910芯片,其內部時鐘頻率最高可達1GHz,最大輸出頻率為400MHz[4]。DDS輸出的信號經過低通濾波器LPF后加載到負載上驅動AOTF進行衍射。為了減少由于外部晶振頻率過高引發的相位噪聲和其他干擾,本方案采用25M溫補晶振作為系統外部時鐘源,經DDS鎖相環電路倍頻后可得到1GHz的系統時鐘信號。

2.1 DDS硬件電路設計

DDS從相位的角度出發來進行頻率合成,從而在產生不同頻率任意波的同時,對其初始相位也可進行調整。通過對預先存入內部存儲器中的數字信號進行尋址查找后,將該數字信號經過D/A轉換、濾波即可形成模擬量波形。DDS的頻率合成主要依靠對其時鐘參數的設置,如圖2所示為AD9910硬件連接圖。為了提高系統最終輸出信號的分辨率,降低干擾,系統中采用了25MHz有源溫補晶振,并通過REF_CLK引腳將外部時鐘輸入到AD9910,內部鎖相環將晶振25MHz外部時鐘經過40倍倍頻后得到1GHz系統時鐘。圖2中的R1、C1、C3所構成的RC濾波器作為鎖相環外圍電路,通過設置不同的值可以得到不同的倍頻倍數,其相關參數可由式(1)～(3)得到[4]:

式中M為分頻比,KD為鑒相器增益,KV為VCO增益, fOL為環路帶寬,為相位余量。

DDS經過分頻后輸出信號最大頻率為250MHz,滿足聲光可調諧濾波器AOTF的工作需求。其后續DAC輸出信號為差分電流信號,不利于進行電路調試和測量,為此通過50Ω電阻將該電流信號轉換為電壓信號。

系統采用低通橢圓濾波電路,在階數相同的條件下,橢圓濾波器與其他類型的濾波器相比,其過渡帶更窄,阻帶波動更小,考慮到系統最大輸出頻率為250MHz,所設計濾波器通帶范圍應有一定余量,故設計了截至頻率為400MHz的低通橢圓濾波器,如圖3所示,圖4為濾波器頻域仿真結果。

圖2 AD9910硬件電路

圖5 C8051F020硬件連接圖

圖3 400MHz低通濾波電路

圖4 濾波器頻域仿真結果

2.2 單片機控制電路設計

單片機作為一種主流控制芯片,具有結構簡單、功耗低、環境適應能力強等特點,廣泛應用在航空航天、家用電器、交通運輸等方面[5]。本系統采用C8051F020單片機,其指令可與其他類型51單片機完全兼容,其處理速度普通51單片機的幾倍;且該單片機內部集成了A/D和D/A轉換器,可方便的搭建一個混合信號系統;其具備很強的外擴能量,可以適應I2C、SPI、SMbus等不同總線接口;還具備可編程數字I/O和交叉開關,方便用戶根據不同的需求來定義數字引腳的功能[6-7]。

圖6 單片機與AD9910連接圖

系統中,將P0.0、P0.1分配給UART0端口,用來接收上位機傳輸的指令,如圖5所示為單片機外圍電路。圖中U2為串口通信芯片MAX3232,用以實現上、下位機之間的數據通信。將端口P0.2、P0.3、P0.4配置成SPI功能引腳SCK、MISO和MOSI,用來和DDS相連,控制DDS,單片機與AD9910接口示意圖如圖6所示。

SCLK為串行時鐘,SDO為串行數據輸出端,SDIO為串行數據輸入引腳,單片機通過串行端口配置DDS內部寄存器,控制DDS信號輸出;為串行I/O端口,作為片選信號端,I/O_UPDATA引腳用于啟動I/O緩沖器數據轉移,將緩沖器中的數據傳輸到器件有效寄存器中; I/O_RESET可為單片機與DDS通信出現故障時實現對I/O復位;PROFILE0,PROFILE1,PROFILE2為PROFILE選擇引腳,通過選擇這3個引腳的高低電平選擇8個PROFILE,但是PROFILE引腳的選擇必須滿足DDS中SYNC_CLK上升沿的建立的要求。

3 系統軟件設計

AD9910的工作模式可分為單頻模式、RAM調制模式,掃頻模式和并口調制模式四種。本系統中只需要單一頻率信號,故通過AD9910寄存器將DDS設置為單頻工作模式。

圖7 軟件流程圖

圖8 125MHz實測值

如圖7為系統軟件工作流程圖,先對單片機進行初始化,然后進入串口中斷判斷是否收到上位機發送的中斷指令,若收到中斷指令,則執行中斷服務程序,并對中斷指令進行解析,生成對應的頻率控制字和其他控制參數,若沒有收到中斷指令,則返回繼續判斷,直到收到中斷指令后執行下一步。然后將頻率控制字及其他配置參數送到AD9910的寄存器中進行配置,然后產生所需要的波形后,程序返回到等待中斷狀態,繼續判斷是否接收到下一條中斷指令。

4 實驗與結論

本系統采用單片機與DDS來產生特定頻率的信號,其操作簡便,輸出信號穩定,頻率轉換速率快,輸出頻率范圍為30～250MHz,測試結果完全滿足設計要求。如圖8所示,在125MHz時,輸出信號為680mVpp。所設計電路實物如圖9所示。

圖9 硬件電路實物

［1］Wang Jianyu,He Zhiping,Shu Rong.Design and applications of space-borne imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filter (AOTF)［C］//SPIE.2010:7857.

［2］李俊,譚秋林,崔永俊,等.基于AD9910的高頻多模式信號發生器的設計［J］.電視技術,2012,36(9).

［3］范治田.新型數字化可編程頻率合成器DDS.［J］現代電子技術,2003,12:26-28.

［4］Analog Devices Inc..AD9910 Datasheet［Z］.2008.

［5］Cygnal Integrated Products,Inc.潘琢金,孫德龍,等譯. C8051F單片機應用解析［M］.北京:北京航空航天大學出版社,2002.

［6］ 馮宇清,李秀亮.基于FPGA的寬頻數字鎖相環設計［J］.艦船電子工程,2012,32(7):72-74.

［7］ 王永濤,韓建,牟海維,全星慧.基于單片機與AD9852的信號源設計［J］.電測與儀表,2006,43(7):39-41.

宋雁鵬（1989—），山西汾陽人，碩士研究生，研究方向：電路檢測與設計。