杜玉華 丁駿

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

一種基于AD9910的高性能信號產(chǎn)生器的設(shè)計

杜玉華 丁駿

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

直接數(shù)字頻率合成(DDS)以相位噪聲好、調(diào)頻速度快、體積小、頻率分辨率高的特點廣泛使用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域中。文章詳細介紹DDS的工作原理及特性，并給出用單片機對最新的DDS芯片AD9910進行控制的設(shè)計電路來實現(xiàn)產(chǎn)生高性能信號的方法。測試結(jié)果表明，該電路產(chǎn)生的信號能夠達到用戶所需要的波形頻率、幅度及相位要求。

直接數(shù)字頻率合成器;信號產(chǎn)生器;AD9910

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對信號的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍等指標(biāo)和性能也提出越來越高的要求，傳統(tǒng)的信號產(chǎn)生方式已經(jīng)無法滿足實際的需求，需要使用頻率合成技術(shù)。目前，常用的頻率合成技術(shù)包括直接模擬頻率合成技術(shù)、間接頻率合成技術(shù)和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。其中直接數(shù)字頻率合成(DDS)以相位噪聲好、調(diào)頻速度快、體積小、頻率分辨率高的特點得到了廣泛的應(yīng)用。文章以DDS理論為基礎(chǔ)，介紹了一種基于DDS的信號產(chǎn)生器設(shè)計方案，它采用單片機進行控制，通過單片機與上位機進行通信，可以方便地實現(xiàn)精確的頻率及相位控制，控制方式簡潔、靈活，成本低廉。

1 設(shè)計原理

1.1 框圖

本方案主要由單片機及接口轉(zhuǎn)換、DDS和輸出信號調(diào)理等部分組成，如圖1所示。

圖1 實現(xiàn)方案框圖

RS232接口轉(zhuǎn)換由一片MAX3223來實現(xiàn)，完成計算機串口電平到單片機串口電平的轉(zhuǎn)換。單片機選用51系列單片機C8051F020，該單片機功能強大，主要完成計算機下達指令的接收和解析，并生成與用戶所需要的頻率相一致的頻率控制字，同時還完成對DDS的控制和參數(shù)配置。DDS采用AD公司目前較先進的AD9910芯片，其工作頻率高，可輸出的頻率較高，滿足較大頻率的輸出要求。濾波電路由專用的濾波器來實現(xiàn)，主要濾除DDS輸出的帶外雜散信號。放大電路由Mini公司的ERA-5SM來實現(xiàn)，其最大輸出信號幅度可達16 dBm(1 dB壓縮點)。

1.2 DDS原理

DDS的基本原理是基于Nyquist采樣定理，將模擬信號進行采樣，經(jīng)量化后存入存儲器中(查找表)，通過尋址查找表輸出波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、濾波即可恢復(fù)原波形[1]。一個完整的DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)由相位累加器、正弦轉(zhuǎn)換表ROM存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和低通濾波器等部分組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 DDS原理框圖

在參考時鐘的作用下，對輸入的頻率數(shù)據(jù)進行累加，并將累加器輸出的一部分作為讀取波形存儲器的地址，將讀出的波形數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，由于D/A轉(zhuǎn)換器輸出的一系列階梯電壓信號含有一定的噪聲，因此，再通過低通濾波器濾波，便可輸出光滑的合成波形。輸出信號頻率為:

2 信號產(chǎn)生方法的實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括單片機對DDS的控制電路設(shè)計，DDS的外圍電路設(shè)計，放大電路設(shè)計等。

2.1.1 AD9910外圍電路設(shè)計

AD9910外圍電路設(shè)計主要包括AD9910的時鐘設(shè)計和環(huán)路濾波參數(shù)設(shè)計。其詳細的外圍電路如圖3所示。

AD9910參考時鐘的質(zhì)量直接決定了模擬輸出信號的質(zhì)量，在本設(shè)計中采用了20 MHz的恒溫晶振，通過 AD9910的內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻到1 GHz工作。

當(dāng)外部時鐘較低時，需要利用AD9910內(nèi)部的鎖相環(huán)電路將參考時鐘進行倍頻作為系統(tǒng)的工作時鐘。鎖相環(huán)電路需要外部配置環(huán)路濾波參數(shù)，這樣鎖相環(huán)電路才能正常工作，如圖3中C22、C23和R5所構(gòu)成的RC濾波器，電容和電阻值的確定如下:

圖3 AD9910外圍電路圖

式(2)、式(3)和式(4)中，M 為分頻比，KD為鑒相器增益，KV為VCO增益，fOL為環(huán)路帶寬，φ為相位余量。

2.1.2 單片機與AD9910接口設(shè)計

AD9910的控制比較簡單，主要的控制引腳與單片機的接線關(guān)系如圖4所示。單片機的SPI口與AD9910的SPI口連接，AD9910的其他控制引腳由單片機的P1口進行控制。

2.1.3 濾波及放大電路設(shè)計

濾波及放大電路主要完成:

①濾除DDS輸出信號的帶外雜散信號，提高信號的頻譜純度。

②將DDS輸出信號放大到所需的電平值。

圖4 單片機與AD9910連接圖

詳細電路圖如圖5所示。由圖5可以看出，DDS的輸出信號首先經(jīng)過一個信號調(diào)理電路對信號進行調(diào)整，然后經(jīng)過低通濾波Z1將DDS的帶外雜散信號濾除，保證輸出信號的頻譜純度，Z1為400 MHz的低通濾波器。放大電路由兩級級聯(lián)的放大組成，每級放大器采用Mini公司的單片集成電路芯片ERA-5SM，其工作頻率范圍為0～4 GHz，放大增益為20 dB。通過兩級放大，輸出信號的幅度為0 dBm。

圖5 濾波及放大電路圖

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 C8051F020端口分配及功能

C8051F020器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片(SOC)，它使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容[2]。它具有64個I/O引腳，每個端口都可以配置成推挽或漏極開路輸出。C8051F020 MCU內(nèi)部有2個具有增強型波特率配置的全雙工UART和1個增強型SPI接口，每種串行總線完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷。

在本方案中，利用單片機的UART0來接收計算機下達的指令，同時利用SPI口完成對DDS芯片的控制和參數(shù)配置，硬件連接如圖6所示。

圖6 C8051F020硬件連接

通過設(shè)置I/O端口功能選擇開關(guān)控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2，可將 I/O 端口 P0.0、P0.1分配給 UART0，將端口 P0.2、P0.3、P0.4 配置成SPI功能引腳SCK、MISO和MOSI，然后通過設(shè)置SCON0寄存器的值來配置UART0的工作方式，并設(shè)置控制SPI接口性能的特殊功能寄存器SPI0CFG、SPI0CKR、SPI0CN、SPI0DAT。

SPI0CFG是SPI的配置寄存器，用于配置SPI的工作方式，并反映通信過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

SPI0CN是SPI控制寄存器，用于控制SPI的工作，并反映通信過程中的一些錯誤標(biāo)志。

SPI0CKR是SPI的時鐘速率寄存器，用于選擇SCK輸出的頻率。

SPI0DAT是SPI的數(shù)據(jù)寄存器，用于發(fā)送和接收SPI數(shù)據(jù)。

2.2.2 AD9910設(shè)計

AD9910集成了14 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)并且支持高達 1 GSPS的采樣率[3]，它使用 32 bit累加器提供快速調(diào)頻和頻率調(diào)節(jié)分辨率，調(diào)節(jié)分辨率為0.23 Hz。AD9910可通過串行 I/O端口設(shè)置其內(nèi)部控制寄存器參數(shù)。

AD9910主要有4種工作方式:單頻模式、RAM調(diào)制模式、DRG調(diào)制模式和并口調(diào)制模式。在本方案中，AD9910工作在單頻模式，其參數(shù)設(shè)置流程如下:

①對DDS使用的Profile相應(yīng)的控制引腳進行選擇控制。

②依次對CFR1、CFR2和CFR3控制功能寄存器的控制參數(shù)進行設(shè)置，使DDS工作在單頻模式。

③在所選定Profile相應(yīng)的頻率控制寄存器中，設(shè)置所需要生成的信號頻率的頻率控制字。

AD9910在串行通信模式下對芯片管腳讀寫操作時序關(guān)系如圖7所示。

圖7 串口讀寫操作時序

2.2.3 軟件工作流程

軟件流程如圖8所示。

首先，單片機初始化完畢后，直接進入串口中斷等待計算機下發(fā)指令，如果收到計算機下發(fā)的串口指令，將進入串口中斷服務(wù)程序?qū)τ嬎銠C下發(fā)的指令進行解析，并生成指令對應(yīng)的頻率及其他控制參數(shù)，然后對AD9910的寄存器進行配置，配置完產(chǎn)生所需的波形后，程序返回到等待中斷狀態(tài)，等待計算機下發(fā)下一條指令。

在中斷服務(wù)程序中，通過對指令的解析可以判斷出用戶所需要的波形頻率、幅度及相位要求。

2.3 仿真實驗

圖8 軟件流程圖

根據(jù)上述設(shè)計思路，利用Protel和匯編語言進行了軟硬件設(shè)計，通過串口精靈下發(fā)指令控制輸出信號的頻率，在頻譜儀上對產(chǎn)生的信號進行觀察，在產(chǎn)生頻率為71.41 MHz和135.267 5 MHz 2種信號時，信號的頻譜特征分別如圖9、圖10所示。

圖9 信號頻譜特征圖(71.41 MHz)

圖10 信號頻譜特征圖(135.267 5 MHz)

從信號的頻譜特征可以看到，在產(chǎn)生不同頻率信號的情況下，信號的雜散很低，相位噪聲良好。

3 結(jié)語

AD9910芯片是一片性價比比較高的 DDS芯片，其速度快，輸出波形穩(wěn)定，頻率、相位和幅度皆可控制且分辨率高，利用本文所介紹的方法設(shè)計產(chǎn)生的信號，相比于傳統(tǒng)的模擬信號產(chǎn)生方法，具有低雜散、相位噪聲良好的特性，可在短波，超短波等通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。同時，通過對該方案進行簡單改進，還可應(yīng)用于微波、雷達等更高頻率的通信系統(tǒng)，是一種用途廣泛的快速、高性能信號產(chǎn)生方法。

[1]吳秋蘭.現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法研究及其在 AWG中的應(yīng)用[D].濟南:山東大學(xué)，2001.

[2]Cygnal Integrated Products，Inc.C8051F單片機應(yīng)用解析[M].潘琢金，孫德龍，夏秀峰，等，譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3][佚名].Analog Devices AD9910 Datasheet，2007[EB/OL].[2011-05 -18].http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD9910.pdf.

Design of High-performance Signal Generator Based on AD9910

DU Yu-hua DING Jun

(School of Electronic Information ＆ Electric Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

Direct Digital Synthesis(DDS)technology is widely used in the field of modern communications，for its low phase noise，fast FM(frequency modulation)speed，small size and high frequency resolution.This paper introduces the working principle and characteristics of DDS，and presents the design circuit which uses single-chip microcomputer to control AD9910 DDS chip to generate high-performance signal.The experimental instrument test results show that the signal produced by the circuit can meet the users'need of waveform，frequency，amplitude，and phase.

direct digital synthesis;signal generator;ADD9910

TN74+1

A

1671-0436(2011)03/04-0006-06

2011-06-07

杜玉華(1977— )，女，碩士，講師。

責(zé)任編輯:張秀蘭