【摘要】信號源是高級電子系統(tǒng)中的關鍵部件，其品質直接影響著系統(tǒng)的性能。低噪聲、高精度是高品質信號源的設計目標。基于直接數(shù)字頻率合成技術的信號源具有廣泛的應用價值。為了改善現(xiàn)有該類信號源的相位噪聲，本文提出了一種利用10MHz的原子鐘作為基準信號源，經(jīng)過30倍倍頻后再作為直接數(shù)字頻率合成時的系統(tǒng)時鐘信號，從而獲得低相位噪聲、高精度信號源的設計方案。該信號源設計方案的提出與實現(xiàn)，對低噪聲、高精度信號源的開發(fā)具有重要指導意義。

【關鍵詞】DDSMCU相噪

一、前言

隨著技術的進步電子系統(tǒng)對信號源的頻譜純度、頻率穩(wěn)定度、雜散等要求越來越高、為滿足這些要求，頻率合成技術發(fā)展到一個新的階段，直接數(shù)字頻率合成技術是基于全數(shù)字架構具有極低的頻率分辨率、頻率捷變速度極快、低相位噪聲、低成本、頻率捷變時相位連續(xù)等方面的優(yōu)點先進技術，而且具有控制方便，可便捷生成多種信號等優(yōu)點。

根據(jù)學校教學和科研的需要設計制作90MHz低噪聲高精度信號源。下面將對該設備的設計和實現(xiàn)進行闡述。

二、硬件系統(tǒng)的設計

根據(jù)實際需要該信號源采用PLL與DDS組合方案，以原子鐘輸出地10MHz標準頻率信號為系統(tǒng)時鐘原始信號，將10MHz標準頻率信號倍頻到300MHz作為系統(tǒng)DDS的系統(tǒng)時鐘參考信號。由MCU控制DDS輸出所需信號類型和頻率。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1.3AD采集電路設計

MSC1210作為51系列單片機的升級版，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在信號采集方面。MSC1210的AD具有8路24位的精度，其ADC在數(shù)據(jù)輸出速率為l0Hz時可以得22位的有效分辨率，并且轉換噪聲只有75nV。MSC1210的∑—△模數(shù)轉換器部分由模擬多路開關（MUX）、可選擇緩沖器（BUF）、可編程增益放大器（PGA）、基準電壓源、二階∑—△調(diào)制器和數(shù)字濾波器等組成[4]。

2.2DDS子系統(tǒng)

在本設計中DDS子模塊由參考信號源、低通濾波器和DDS頻率合成器構成。以原子鐘輸出地10MHz標準頻率信號為系統(tǒng)時鐘原始信號，將10MHz標準頻率信號倍頻到300MHz作為系統(tǒng)DDS的系統(tǒng)時鐘參考信號。低通濾波器模塊采用7階橢圓函數(shù)濾波器來實現(xiàn)。

2.2.1DDS模塊電路設計

DDS芯片采用AD公司生產(chǎn)的AD9854，可以實現(xiàn)頻率調(diào)制、幅度調(diào)制、相位調(diào)制、IQ正交調(diào)制等五模式輸出，頻率控制寄存器位數(shù)高達48位，能提供高達1uHz的頻率分辨率；相位截斷位數(shù)高達17位，能提供良好的寬帶和窄帶輸出無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。當采用高穩(wěn)定參考時鐘，可以輸出高穩(wěn)定度和高品質的可調(diào)信號；接口的刷新頻率最高可達100MHz；如采用300MHz的系統(tǒng)時鐘參考信號AD9854的內(nèi)部電路結構可保證最高輸出150MHz的同步正交頻率信號[5]。

其具體選擇模式如表2所示。

DDS芯片將輸出頻率控制字和幅度控制字對應的信號。DDS頻率寄存器的數(shù)值由以下公式?jīng)Q定：

FTW=（輸出頻率×248）/系統(tǒng)時鐘（1）

系統(tǒng)時鐘=晶振頻率×倍頻數(shù)（2）

為了使AD9854的性能得到發(fā)揮故使系統(tǒng)時鐘到達300MHz，不采用內(nèi)部倍頻器。由上式計算出的頻率控制字的數(shù)值按位寫入頻率轉換字#1內(nèi)。

頻移鍵控模式：輸出頻率隨著FDATA變化而在TW1和TW2之間跳變。當模式選擇控制字為001（ad9854_ram[31]=0x02）的時候，AD9854將進入該模式。

AD9854最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

2.2.3參考信號源模塊電路設計

為了使AD9854的性能得到發(fā)揮DDS的系統(tǒng)時鐘必須300MHz，如采用內(nèi)部倍頻器，使AD9854芯片的功耗過大從而導致溫升過高這將使得DDS芯片工作環(huán)境惡化背景熱噪聲及雜散嚴重，故本方案采用由原子鐘提供10MHz的原始信號，通過30倍倍頻電路達到300MHz，作為DDS的外部系統(tǒng)時鐘輸入。故30倍倍頻電路是控制雜散的關鍵因素，所以在倍頻電路的設計上采用混合型的倍頻設計方案。具體設計和計算過程已經(jīng)有相關的文獻專門論述這里就不進行闡述了。利用雙極晶體管非線性電阻倍頻電路將原子鐘提供10MHz倍頻到150MHz后再進行2倍頻。2倍頻電路是使用MC1496芯片構成高頻倍頻器電路[7，8，9，10]。30倍倍頻電路原理圖如圖5所示。

三、測試與分析

設備實際輸出信號測試的結果表明，使用30倍倍頻電路后對降低輸出信號的相位噪聲有十分顯著的改善。

在印制版電路設計時對電源和數(shù)字電路部分進行了有效的去耦濾波，數(shù)字地和模擬地分開這些措施有效的降低了輸出信號的相噪和雜散。MCU的Watch Dog電路有效的提高了整個電路的抗干擾性能。采用就近接地能有效降低高頻駐波現(xiàn)象。

四、結束語

該頻率合成器系統(tǒng)性能好壞的是由系統(tǒng)時鐘雜散和抖動精度來決定的。本文根據(jù)實驗室建設的需要完成了對倍頻器和DDS技術原理和性能的討論；研究了頻率合成技術設計過程中所需技術，給出了降低系統(tǒng)功耗減小系統(tǒng)時鐘雜散和抖動的設計方案并給出了具體的工程實現(xiàn)。實際測試相關技術參數(shù)達到技術要求。

參考文獻

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