基于DDS的多通道信号源设计

2012-10-17 16:29:57来源: 互联网 关键字:DDS  多通道  信号源

本文通过C8051F020单片机实现对AD9959频率合成芯片的连接控制,结合少量外围电路即构成一个完整的低噪声、低功耗、高稳定度、高可靠性的频率合成器。本信号源的直接频率合成器将通过对单片机C8051F020的标准SPI端口编程控制AD9959芯片的寄存器,从而实现单频点12MHz,48MHz和带宽30MHz的线性调频3路相参信号输出。

  1 系统方案设计与功能单元介绍

  1.1 系统方案设计

  本设计的主控芯片采用了新华龙公司的C8051F020单片机,信号产生芯片采用美国ADI公司的具有4路通道的DDS芯片AD9959,电源部分采用能提供5 V和3.3 V的稳压开关电源。系统的设计框图如图1所示。

  

  1.2 AD9959芯片

  AD9959是美国ADI公司最新推出的一款四通道、低功耗、高速直接数字频率合成器,采样频率高达500 MSPS。该芯片内部集成了4个DDS内核,可对4个内部同步输出通道进行独立编程。通过1个公用系统时钟在芯片内部同步其独立的通道,每个通道的功率小于165 mW。可以实现最多16级的频率、相位和幅度调制(FSK,PSK,ASK)。通过应用数据到配置管脚可控制调制水平。另外,也可以工作在线性扫频、扫相或扫幅模式。应用到雷达和测量仪器中,还可以对由于模拟处理(例如滤波、放大)或者PCB布线失配而产生外部信号通道的不均衡进行有效的校正。

  该器件集成了具有突出的宽带和窄带SFDR特性的4路高速10位DAC。每一个通道都具有32位频率控制字,14位相位控制字,10位输出幅度控制字。它被广泛地应用在本地振荡源、相控阵列雷达/声纳系统、测量仪器/仪表、同步时钟及RF信号源等方面。其特性如下:

  (1)有4路带10位DAC的DDS通道,最高取样频率为500 MSPS;

  (2)各个通道都有独立的频率/相位/幅度控制功能;

  (3)大于65 dB的通道隔离度;

  (4)线性频率/相位/幅度扫描功能;

  (5)最高可达16级的频率/相位/幅度调制;

  (6)DAC既可缩放电流又可独立编程;

  (7)0.116 Hz或者更好的频率调整分辨率;

  (8)32位频率分辨率;

  (9)14位相位偏移分辨率;

  (10)10位输出幅度可缩放的分辨率;

  (11)具有增强数据吞吐量的串行I/O口(SPI);

  (12)可通过软件/硬件控制节电模式,以降低功耗;

  (13)双电源供应(DDS核1.8 V,串行I/O 3.3 V);

  (14)内置多器件同步功能;

  (15)内置时钟倍频锁相环(4~20倍倍频);

  (16)可选择参考时钟源。

  2 系统软件设计

  2.1 程序设计流程

  该系统中主要使用了带有SPI总线的C8051F020单片机的P1和P2几个I/O端口,它们与AD9959的连接示意图如图2所示。

  

  在单片机编程的主函数中首先要关闭看门狗,否则每当执行到断点时,程序将会跳转到入口点从头执行。接着初始化单片机的时钟(使用外部高精度、高稳定度晶振22.118 4 MHz)和I/O口配置,然后通过I/O端口对AD9959进行初始化、选择通道、写入相对应的控制字、发送I/O_UPDATE信号,输出所要求的信号。单片机的程序流程图如图3所示。

  

2.2 单频点信号产生

  本系统要产生12 MHz和48 MHz的正弦波信号,根据输出频率的计算公式:f=(FTW·fs)/232,可以算出频率控制字FTW的值为FTW=(fo·232)/fs,当fs=500 MHz时,输出12 MHz频率对应的频率控制字为:FTW=0624DD2F;48 MHz对应的频率控制字为:FTW=189374BC。然后只需要将控制字写到AD9995的CTW0寄存器中即可。下面是具体的操作过程:

  (1)AD9959初始化,使其内部寄存器处于初始状态,即工作模式为单频模式,频率控制字和相位控制字均置0,Single-Bit串行数据传输。

  (2)设置系统参考频率为100 MHz,倍频为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,发送通道0所需要的频率控制字0624DD2F到I/O Buffer。

  (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,发送通道1所需要的频率控制字189374BC到I/O Buffer。

  (7)发送I/O_UPDATE信号,将I/O Buffer中的数据传送到内部寄存器(Active Register)。

  输出信号的波形可以在测试结果与分析中的图4和图5看到。

  

  2.3 线性调频信号产生

  AD9959没有直接产生线性调频的功能模式,但是可以通过间接的方法实现此功能,其原理与能产生线性调频的AD9854一样,都是在线性扫频的过程中改变扫频步进控制字(RDW/FDW)和扫频驻留时间控制字(RSRR/FSRR)。所以只有在AD9959扫频的过程中根据实际需要不停地更改RDW/FDW和RSRR/FSRR,就可以得到线性调频信号。

  对于线性调频工作状态的实现,还有一点需要说明。由于线性调频信号是有时宽限制的,因此在输出线性调频信号的时候,需要外部定时器来实现对时宽的控制。

  具体操作为:先把线性扫频模式配置为非驻留线性扫频模式,然后指定起始频率、结束频率、上升扫频步进控制字(RDW)和上升扫频驻留时间控制字(RSRR),最后利用单片机的定时器精确定时控制P2管脚,以对线性调频信号进行精确控制。

  本系统需要产生带宽30 MHz的线性调频信号,在这里将中心频率设为50 MHz,故起始频率设为35 MHz,结束频率设为65 MHz,上升扫频步进频率设为1 kHz,上升扫频驻留时间设为最小值8 ns,然后给系统送一个I/O_UPDATE信号,把将写入到寄存器的值导入到DDS内核中。

  当P2由低电平变到高电平时(具有I/O_UPDATE功能),AD9959就开始从起始频率扫向结束频率,每过8 ns芯片自动将RDW的值送到频率累加器(不是相位累加器),以线性改变输出的频率值,当到达结束频率时,DDS芯片会自动返回到起始频率。此过程的时间总共为240μs(即时宽为240μs),定时器精确定时240μs后,P2取反,周期变化,这样就可以周期地产生线性调频信号了,其实际输出波形如图6所示。

  

  3 测试结果与分析

  经过实验调试,最终输出了单频点的12 MHz,48 MHz信号和带宽为30 MHz的线性调频信号。下面是测试所得图片。

  图4显示了12 MHz信号输出波形。可以看出,其波形失真度小,而且实测输出频率为11.9986MHz,非常接近12MHz,波动范围为11.914 MHz到12.073 MHz,输出频率稳定。

  图5显示了48 MHz信号输出波形。可以看出,其波形失真度小,而且实测输出频率为48.017 21 MHz,与所要求的输出频率相差不大,输出频率稳定。

  图6显示了带宽为30 MHz线性调频信号的输出波形。可以看出,输出信号的波形幅度稳定,相位连续,失真度小。

  4 结语

  DDS作为一种成熟的技术已经得到了广泛的应用。本系统就是在DDS芯片AD9959的基础上实现了2 kHz~200 MHz频段任意频点的正弦波信号输出以及带宽为30 MHz的线性调频信号输出,AD9959有4个输出通道,通道之间隔离度均值达到了74.2 dBm,具有良好的隔离度,其输出信号经示波器、频谱仪分析稳定性好,频率相位分辨率高,相噪低,能满足无源雷达信号源以及其他设备信号源的要求,具有很好.的应用价值。

关键字:DDS  多通道  信号源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1017/article_17119.html
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