樊戰(zhàn)友，樊西青,2，張首剛,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；3. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

基于AD9956的任意頻率合成器研制

樊戰(zhàn)友1，樊西青1,2，張首剛1,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；3. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

為滿足精密時(shí)間測(cè)量和高性能星載原子鐘等國(guó)家重要研究課題的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用需求，研制了主要由AD9956芯片和8位高性能單片機(jī)構(gòu)成的一種DDS（直接數(shù)字合成）任意頻率合成器。在分析DDS的基本原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從硬、軟件等方面較為詳細(xì)地介紹了該頻率合成器的設(shè)計(jì)，對(duì)同時(shí)完成的專用于控制該合成器工作的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件也作了介紹。實(shí)際使用結(jié)果表明：研制的合成器符合實(shí)驗(yàn)使用要求，并對(duì)促進(jìn)課題的研究完成發(fā)揮了積極作用。

直接數(shù)字合成（DDS）；頻率合成；頻率（或相位）控制分辨率

直接數(shù)字合成（direct digital synthesis，DDS）是利用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生模擬波形信號(hào)（通常是正弦波形）的一種方法和技術(shù)。它將先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理理論與方法引入頻率合成領(lǐng)域，是繼直接頻率合成（DS）和間接頻率合成（IS）之后的第三代頻率合成技術(shù)[1]。DDS的基本原理是：通過D/A變換將具有一定規(guī)律（通常是正弦函數(shù)）產(chǎn)生的隨時(shí)間連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬波形信號(hào)。獲得隨時(shí)間連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)的方法有查表法和寄存器法。為了保證或改善產(chǎn)生的模擬波形信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)，通常還要采取濾波、光滑等一些處理措施[2-3]。

DDS的主要優(yōu)點(diǎn)是：

1）極低的相位噪聲（優(yōu)于-144 dBc/Hz）和時(shí)鐘抖動(dòng)（<1 ps）。這是DDS最關(guān)鍵的性能優(yōu)勢(shì)。

2）很高的頻率、相位控制分辨率。頻率分辨率可達(dá)10-6Hz，相位分辨率可達(dá)0.02°。

3）輸出頻率或相位轉(zhuǎn)換快速準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)換時(shí)間通常在ns量級(jí)。由于沒有跟蹤或鎖定過程，不會(huì)出現(xiàn)輸出頻率過頭或不足的情況。

4）數(shù)字控制接口結(jié)構(gòu)，能夠與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合和充分發(fā)揮軟件靈活、方便的控制功能和作用，可用于頻率和相位的遠(yuǎn)距離控制。

5）數(shù)字結(jié)構(gòu)技術(shù)克服了由于器件老化或溫度改變引起的工作參數(shù)漂移，免除了手動(dòng)調(diào)節(jié)和調(diào)試。

6）低成本、高性能、多功能、高集成度。

隨著設(shè)計(jì)和處理工藝的進(jìn)步，DDS芯片在性能、功能、功耗和集成度等方面的優(yōu)勢(shì)變得愈益突出和明顯。DDS芯片和技術(shù)在時(shí)頻、測(cè)控、通信、醫(yī)療、工業(yè)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

高精度、高穩(wěn)定、低相噪的頻率基準(zhǔn)是開展高精度時(shí)間測(cè)量與研究的前提，也是航空航天、國(guó)防建設(shè)等高技術(shù)領(lǐng)域的基本要求。采用DDS頻率合成技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，將原子內(nèi)在穩(wěn)定的高頻躍遷信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的頻率（原子鐘）信號(hào)輸出，是得到高性能頻率基準(zhǔn)的一種很好的選擇和方法[4-5]。

本文介紹一種已研制完成并主要應(yīng)用于某量子頻標(biāo)研究室原子鐘研制實(shí)驗(yàn)中的任意頻率合成器。該任意頻率合成器是DDS技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，具有功能強(qiáng)、技術(shù)指標(biāo)較高、使用方便、體積小等特點(diǎn)。作為頻率基準(zhǔn)，它除了具有高精度、高穩(wěn)定度、低相噪的特點(diǎn)外，其突出優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率可以在很大范圍內(nèi)設(shè)置和調(diào)整。

1 任意頻率合成器設(shè)計(jì)要求

對(duì)該任意頻率合成器的設(shè)計(jì)要求主要是：

1）性能方面[6-7]：

輸入：0 dBm（可調(diào)）400 MHz正弦信號(hào)；相位噪聲@1 Hz<-80 dBc，@10 Hz <-100 dBc。

輸出：相位噪聲@10 Hz <-130 dBc；輸出頻率分辨率不低于1μHz，相位分辨率不低于0.1°。

2）功能方面：

PC計(jì)算機(jī)或單片機(jī)可通過RS232接口設(shè)置和控制任意頻率合成器的輸出頻率、相位和工作模式。

2 任意頻率合成器硬件設(shè)計(jì)

2.1 DDS芯片選擇

合理選擇DDS芯片是使用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)任意頻率合成的關(guān)鍵之一。選片的主要根據(jù)是對(duì)頻率合成器性能和功能的具體應(yīng)用要求和使用條件，同時(shí)也要兼顧成本、與DDS之外其他單元的接口等諸多因素。

技術(shù)成熟的DDS芯片很多，如Qualcomm公司的Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時(shí)鐘頻率為130 MHz，分辨率為0.03 Hz，雜散控制為-76 dBc，變頻時(shí)間為0.1μ s，還有美國(guó)AD公司的AD9850、AD9851、AD9852、AD9956等。AD公司的器件價(jià)格較高，但性能穩(wěn)定可靠，有很好的信譽(yù)，其中AD9956的主要技術(shù)指標(biāo)為：400 MSPS內(nèi)部DDS時(shí)鐘，48-bit頻率調(diào)諧字，14-bit可編程相位偏移量，內(nèi)部集成有14-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，相位噪聲≤135 dBc/Hz@1 kHz頻偏，相位噪聲@100 Hz<-126 dBc/Hz，相位噪聲@10 Hz<-115 dBc/Hz，IOUT輸出口處的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：-80 dB 160 MHz@（±100 kHz偏離），25 Mb/s串口I/O寫控制速度，655 MHz可編程相位頻率檢測(cè)輸入除法器（÷M，÷N）｛M，N = 1，…，16｝（可旁路），內(nèi)核1.8 V供電，I/O和電荷泵3.3 V供電。沒有輸入信號(hào)倍頻器。

綜合考慮后，我們選擇了AD9956[8]。圖1是AD9956功能框圖。

圖1 DDS芯片AD9956功能框圖

2.2 硬件框圖和工作原理

圖2是任意頻率合成器的硬件設(shè)計(jì)框圖[9]。400 MHz的頻率基準(zhǔn)通過信號(hào)輸入耦合緩沖器，經(jīng)共軛參考時(shí)鐘REFCLK（28、29腳）進(jìn)入AD9956。信號(hào)輸入耦合緩沖器的作用一方面是隔離AD9956和信號(hào)源的直接連接以改變頻率合成效果，另一方面是防止過高的信號(hào)電壓燒壞AD9956。合成的模擬頻率信號(hào)經(jīng)AD9956共軛電流口IOUT（5、6腳）輸出后，再經(jīng)低通濾波器（LPF）輸出。低通濾波器的作用是進(jìn)一步改善合成的模擬頻率信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)，盡管AD9956輸出的指標(biāo)本來就已經(jīng)很高。8位單片機(jī)的作用是通過串口（SDI/O、SCLK、CS）和其他控制線（PS0、PS1、PS2、I/O_RESET）設(shè)置AD9956的工作參數(shù)和運(yùn)行方式。RS232控制接口提供單片計(jì)算機(jī)與外部的交互通道。任何具有RS232接口的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、帶顯示和鍵盤的單片機(jī)系統(tǒng)等，都可以通過此接口控制任意頻率合成器的運(yùn)行。

圖2 任意頻率合成器硬件設(shè)計(jì)框圖

3 C51軟件設(shè)計(jì)

頻率合成器的輸出頻率表達(dá)式為

式（1）中的FTW為頻率調(diào)整字（代表FTW 0～FTW 7中的任何一個(gè)），6字節(jié)長(zhǎng)，0≤FTW≤247，存在片內(nèi)寄存器中。共有FTW 0～FTW 7 8個(gè)頻率調(diào)整字，這8個(gè)頻率調(diào)整字內(nèi)可寫入不同的數(shù)值。通過PS0、PS1、PS2三個(gè)引腳可選擇8個(gè)頻率調(diào)整字中的任意一個(gè)作為工作FTW。式（1）中的fs為DDS內(nèi)部時(shí)鐘頻率，最大值為400 MHz。由圖1可知：fs值由從共軛REFCLK輸入的頻率基準(zhǔn)和RF除數(shù)因子共同決定。單片機(jī)的主要任務(wù)是控制輸出合成頻率值。此外，單片機(jī)還負(fù)責(zé)選擇DDS的工作模式、輸出相位控制、與其他系統(tǒng)的同步控制、鎖相控制、電荷泵控制、通過串行口與外部通信等。單片機(jī)軟件采用C51語言設(shè)計(jì)。圖3是單片機(jī)的C51軟件流程圖。

AD9956有單調(diào)、一般線性掃描和線性掃描無駐留等3種工作模式。初始化狀態(tài)如下：選擇單調(diào)模式，工作寄存器選8個(gè)頻率調(diào)整字組（圖3中的FTW代表寄存器組FTW 0～FTW 7）中的FTW 0，RF除數(shù)因子R=1，F(xiàn)TW 0值=10×248/400，頻率源fs= 400 MHz。由（1）式可知：輸出頻率=10 MHz。

串行口初始化為：串口=1，波特率=9 600 bps，數(shù)據(jù)位=8，校驗(yàn)=無，停止位=1。

圖3 單片機(jī)C51軟件流程圖

4 通信協(xié)議和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

4.1 通信協(xié)議

通信協(xié)議指頻率合成器和PC機(jī)的串口之間的通信協(xié)議。計(jì)算機(jī)通過RS232串口可以控制頻率合成器的運(yùn)行和了解頻率合成器工作狀態(tài)。串口通信協(xié)議為：計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為：[#]；[,]；： ：< D2>：…?！癧 ]”括弧為ASCII字符，“< >”括弧為二進(jìn)制數(shù)?！?”為識(shí)別碼頭，“NUM”的低7位是用二進(jìn)制數(shù)表示后面將要跟的字節(jié)數(shù)，“NUM”的最高位是讀寫位，“0”表示“寫”，“1”表示“讀”。“：< D2>：…”是后面跟的二進(jìn)制數(shù)，其中“D1”是將要寫入的寄存器地址，其余是待寫入的數(shù)據(jù)。

當(dāng)頻率合成器收到來自RS232串口的“讀”指令后，作為響應(yīng)，會(huì)從串口給計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為：[#]；[,]；：：< D2>：…?！癧 ]”括弧為ASCII字符，“< >”括弧為二進(jìn)制數(shù)，“#”為識(shí)別碼頭，“NUM”是用二進(jìn)制數(shù)表示后面將要跟的字節(jié)數(shù)，“：< D2>：…”是后面跟的二進(jìn)制數(shù)，其中“D1”是寄存器地址，其余是寄存器內(nèi)容。

4.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

為了充分利用計(jì)算機(jī)軟、硬件資源，便于頻率合成器的使用，我們?cè)赪indows XP平臺(tái)下，采用VC 6.0語言設(shè)計(jì)了界面友好、操作快捷、控制可靠的任意頻率合成器的專用控制軟件。

軟件基于基本對(duì)話框設(shè)計(jì)，具有關(guān)于框符、3D控制、ActiveX控件、共享DLL等支持。圖4為軟件啟動(dòng)界面。該軟件包含串口設(shè)置、控制寄存器1、控制寄存器2和工作寄存器等4個(gè)對(duì)話框，以完成不同控制和參數(shù)設(shè)置，并顯示工作狀態(tài)。圖5是控制寄存器2的對(duì)話框界面。

圖4 頻率合成器軟件啟動(dòng)界面

圖5 控制寄存器2的對(duì)話框界面

5 研制結(jié)果和結(jié)論

圖6是研制的任意頻率合成器的實(shí)物圖。該合成器采用4層電路板設(shè)計(jì)。工作電源為直流3.3 V和1.8 V，總功耗低于1 W；輸入頻率范圍為0～2 700 MHz，輸出頻率范圍為0～10 MHz；相位噪聲<-80 dBc @1 Hz。

圖6 研制的任意頻率合成器的實(shí)物圖

使用DDS技術(shù)研制的合成器輸出頻率信號(hào)有很高的相位噪聲特性。圖7是輸入頻率400 MHz、輸出頻率10 MHz時(shí)的波形圖，輸出波形十分干凈光滑。

圖7 合成器輸出頻率為10 MHz的波形圖

該頻率合成器還有以下特點(diǎn)：

1）輸出頻率范圍較寬、分辨率很高：如果不考慮低通濾波器，輸出頻率范圍為0～200 MHz，分辨率最高為10-6Hz。

2）操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)：使用專用的計(jì)算機(jī)軟件，可以十分便捷地設(shè)置合成器的工作方式、輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度，甚至可以使輸出信號(hào)的頻率按預(yù)計(jì)的波形或規(guī)律變化，這對(duì)雷達(dá)、跳頻通信系統(tǒng)很有用。

3）集成度高、能耗低、整體成本也較低。

研制的該任意頻率合成器，已實(shí)際應(yīng)用于一國(guó)家重點(diǎn)預(yù)先研究項(xiàng)目。該合成器的功能和技術(shù)指標(biāo)完全滿足要求，為項(xiàng)目的順利完成發(fā)揮了不可替代的作用。

該合成器在精密時(shí)間測(cè)量研究和實(shí)驗(yàn)中也發(fā)揮了積極作用。

[1] 秦蕾, 高偉, 陳智勇, 等. 一種銣原子頻標(biāo)射頻倍頻單元的實(shí)現(xiàn)[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2009, 32(1): 6-11.

[2] 王丹妮, 陳淑芳, 邊玉敬. 一個(gè)甚高頻頻率合成器的設(shè)計(jì)[J]. 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊, 1996, 19: 105-107.

[3] TIERNEY J, RADER C M, GOLD B. A Digital Frequency Synthesizer[J]. IEEE Transaction on Audio and Electroacoustics, 1971, 19(1): 48-57.

[4] 周渭, 王海. 時(shí)頻測(cè)控技術(shù)的發(fā)展[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2003, 26(2): 87-95.

[5] ZHOU Wei, LI Zhi-yong, ZHOU Hui. A Practical Method to Process Time and Frequency Signal[J]. IEEE Transactions on UFFC, 2000, 47(2): 480-483.

[6] 田新廣, 張爾揚(yáng), 鄔書躍. DDS幅度量化雜散信號(hào)的頻譜研究[J]. 通信學(xué)報(bào), 2003, 24(7): 79-85.

[7] 王永, 劉志強(qiáng), 劉碩. DDS在任意波形發(fā)生器中的應(yīng)用[J]. 儀表技術(shù), 2001, 4: 22-23, 33.

[8] Analog Devices Inc. 2.7 GHz DDS-Based Agile RFTM Synthesizer[K]. [S.l.]: Analog Devices Inc, 2004.

[9] GRIFFITHS H D, BRADFORD W J. Digital Generation of Wideband FM Waveforms for Radar Altimeters[J]. IEEE International Conference Radar, Radar-87, 1987: 325-329.

A Random Frequency Synthesizer Developed Based on AD9956 Chip

FAN Zhan-you1, FAN Xi-qing1,2, ZHANG Shou-gang1,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China;
3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

In order to meet the needs of some important research projects such as precise time measurement and high-performance on-board atomic clocks, a DDS(direct digital synthesis) random frequency synthesizer, which is composed mainly of AD9956 chip and 8 bit high-performance SCM(single chip microprocessor), has been developed. Based on the analyses of the basic principles and characteristics of DDS, the authors made a detailed description of the design of the random frequency synthesizer in both of hardware and software in detail, and the authors also introduced a dedicated application software which is used for computer to control the synthesizer. The experiments show that the frequency synthesizer meets the requirements of the advanced researches and has played an active role in promoting the completion of research project.

DDS(direct digital synthesis); frequency synthesis; frequency (or phase) control resolution

TN74

A

1674-0637(2010)02-0108-07

2009-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10773012）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題資助項(xiàng)目（10834007）

樊戰(zhàn)友，男，碩士，研究員，主要從事時(shí)頻測(cè)控理論與技術(shù)方面的研究。