基于DDS的多通道信号源设计

摘要：为满足航空电子、雷达设备和通信系统等领域相对低相位噪声、稳定工作、高分辨率、快频率转换以及低功耗的通用信号源的需求，提出了一种采用高性能控制器C8051F020控制AD9959频率合成芯片的设计方法和软件设计流程，最终实现了单频点12 MHz，48 MHz和带宽30 MHz的线性调频3路信号输出，并对测试结果进行了分析。测试结果表明，此方案设计的信号源具有频谱纯，相噪低，转换时间快等特点，可满足实际系统的需要。
关键词：直接数字频率合成；AD9959；线性调频信号；C8051F020单片机

0 引言
    频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。低相位噪声、高频谱纯度、高捷变速率和高频率分辨率的频率合成器已经成为频率合成技术发展的主要趋势。直接数字频率合成(DDS)技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术，它的主要特点包括使用方便灵活，具有变频范围广，频率步进小，幅度和频率精度高，调谐方便，体积小，重量轻以及易于集成等优点，在当今电子系统中得到了广泛应用。
     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。