楊培凱，張　晶，劉　婭，石　雄，李　林

(武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430023)

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應用AD9854實現(xiàn)振蕩起始相位的可編程控制

楊培凱，張晶，劉婭，石雄，李林

(武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430023)

摘要：在對AD9854的內(nèi)部結構和外部接口進行深入研究的基礎上，運用單片機通過AD9854的并行接口對其內(nèi)部的可編程寄存器和相關累加器進行控制，經(jīng)過反復試驗探索出了可行的控制方法，實現(xiàn)對AD9854輸出脈沖的振蕩起始相位的可編程控制。該方法已經(jīng)用于某型雷達回波信號模擬器中，成功合成了固定目標回波信號。

關鍵詞：直接數(shù)字頻率合成;振蕩起始相位;可編程控制

1引言

直接數(shù)字頻率(DDS)合成技術是第三代頻率合成技術，在過去的二十年里迅速發(fā)展并逐漸成熟，DDS的全數(shù)字化的結構、極高的頻率分辨能力、快速的頻率變換能力等優(yōu)點使其應用領域日益擴展[1-2]。

AD9854是DDS集成電路中典型的代表，它擁有48位的頻率控制字、12位的相位控制字和其它眾多的控制能力，是DDS芯片中控制寄存器最全、對用戶開放最多的一款芯片。特別是其時鐘頻率達

到300 MHz，具有六種工作模式，能夠合成大部分常用的信號[3]。

在雷達、電子測量等領域的某些脈沖信號要求每個脈沖起始時的相位保持不變或者可控，這對傳統(tǒng)的直接頻率合成和間接頻率合成技術提出了挑戰(zhàn)，從合成理論來分析僅有直接數(shù)字頻率合成能夠在不額外增加系統(tǒng)開銷的情況下實現(xiàn)該功能。筆者在對經(jīng)典的DDS芯片AD9854深入研究后認為該芯片具備實現(xiàn)振蕩起始相位控制的能力，并通過一定的探索和試驗，用AD9854合成了振蕩起始相位可控的脈沖信號。

2AD9854簡介

AD9854是ANALOG DEVICE公司推出的高性能直接數(shù)字頻率合成芯片，其內(nèi)部集成了48位的相位累加器、可編程的時鐘倍頻器、反SINC濾波器、兩個12位的300 MHz DAC，此外還有一個高速模擬比較器和邏輯接口電路，如圖1所示[3]。

圖1　AD9854的內(nèi)部結構框圖

AD9854功能強大、工作頻率較高，芯片相應的功耗也較大，必須保證其散熱良好。芯片的引腳布局十分注意數(shù)字與模擬的隔離，1—20引腳主要是并行和串行數(shù)字接口及一路數(shù)字電源，21—40引腳主要是數(shù)字控制端口和比較器的數(shù)字輸出端，中間加入幾路電源予以隔離，41—60引腳主要是DDS的輸出，兩個正交通道，每個通道有互補的兩個輸出端，即四個輸出引腳輸出信號的相位差為90度，各輸出之間用電源或地線隔離，61—80引腳是時鐘及相關的控制端。雖然芯片具有很好布局和抗干擾設計，電路板布局也十分重要，必須注意屏蔽、隔離及散熱。

AD9854的8位并行接口具有100 MHz的速度，且讀寫時序與51系列單片機的總線接口兼容，能夠十分方便地和單片機連接，要注意的是如果單片機采用5 V供電，建議在數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制線上增加電平轉(zhuǎn)換電路，以保證AD9854可靠地與CPU傳輸數(shù)據(jù)，當然整個系統(tǒng)全部采用3.3 V單片機及外圍芯片是最佳選擇[4]。

3振蕩起始相位

一般情況下對于脈沖信號的振蕩起始相位較少關注，但在某些特殊場合，振蕩的起始相位卻是非常關鍵的參數(shù)，需要準確地進行控制。

以脈沖雷達為例，其回波信號所包含的信息比較復雜，難以用準確的數(shù)學模型進行詳盡的描述，通常認為脈沖雷達的回波信號包含三個主要的組成部分：目標回波信號、雜波信號和噪聲信號，其中的雜波信號一般又分為固定雜波(固定目標回波信號)和運動雜波(運動目標回波信號)，因此，雷達回波信號一般近似地描述為：

x(t)=s(t)+n(t)+cg(t)+cm(t).

(1)

式中s(t)、n(t)、cg(t)、cm(t)分別是運動目標回波信號、噪聲信號、固定目標回波信號和運動雜波信號[5]。

cg(t)在理想情況下是一等幅脈沖。

(2)

式中Agn是雜波的起伏包絡；tg、τg分別是雜波回波的時延和寬度。

在回波信號的幾個組成信號中，唯有固定目標回波信號由于與雷達發(fā)射天線的空間距離和方位保持不變，所以其回波信號相對于發(fā)射信號的延時及相位差在每個雷達重復周期應該保持不變，也就是說在不同的雷達重復周期，延時和相位差中的任何一個參數(shù)發(fā)生變化即意味著目標相對發(fā)射天線的位置發(fā)生變化。在模擬該回波信號時就必須保證固定目標回波信號與發(fā)射脈沖之間的延時和振蕩的起始相位之差在每個雷達重復周期保持不變，如圖2的固定載頻矩形脈沖雷達回波信號示意圖所示。

圖2　固定載頻矩形脈沖雷達的回波示意圖

常用的振蕩電路中，無論晶體管振蕩電路、石英晶體振蕩電路還是鎖相環(huán)頻率合成電路，都不具備對振蕩起始相位的控制能力，即使在全數(shù)字化的直接數(shù)字頻率合成器中，也沒有芯片在其設計中就專門提供該功能或者在使用說明中給出實現(xiàn)該功能的方法。本文所完成的工作就是在成品DDS芯片中選擇最有可能實現(xiàn)該功能的AD9854芯片，通過研究和實驗找到實現(xiàn)式2所描述的雷達固定目標回波信號的方法。

4振蕩起始相位可編程控制

4.1　實現(xiàn)方法

AD9854具備6種不同的工作模式，其中只有BPSK模式與相位有關，根據(jù)其說明書及所完成的試驗證明AD9854的BPSK模式只能控制其輸出信號的相位在當前相位的基礎上跳變，也就是BPSK模式下，AD9854的相位控制寄存器的數(shù)值是在當前相位基礎上的改變量，是相對值，而不是絕對值，因此，利用BPSK模式是無法實現(xiàn)振蕩起始相位的可編程控制的。

考慮到要產(chǎn)生脈沖信號，確定在AD9854的單頻模式開始試驗。由于每個脈沖的幅度不同，選擇AD9854的輸出幅度控制器方式控制每個輸出脈沖的幅度。AD9854的幅度控制器能方便地控制輸出信號的幅度，但是通過對比相鄰脈沖的振蕩起始相位發(fā)現(xiàn)，每個脈沖的起始相位各不相同，沒有固定規(guī)律。根據(jù)AD9854的內(nèi)部結構可以看到，可編程的幅度控制器在相位幅度轉(zhuǎn)換器之后以乘法方式實現(xiàn)幅度控制，也就是說即使在輸出被幅度控制器控制到輸出為全零時DDS的內(nèi)核卻是一直在工作中，所以每個輸出脈沖的起始相位還是不受控制的。

考慮到信號模擬中最低的要求是DDS輸出的每一個脈沖信號的起始相位能從某一個固定狀態(tài)開始，因此重點從AD9854的內(nèi)部結構和工作流程中尋找回到一個固定狀態(tài)的方式。在AD9854向用戶開放的所有資源中，主復位應該是能夠?qū)D9854的內(nèi)部各主要模塊復位到某一確定狀態(tài)的一個可行途徑。

基于上述分析，通過編程控制AD9854先產(chǎn)生第一個脈沖，達到規(guī)定脈沖寬度后將主復位信號置高以復位AD9854內(nèi)部的各個模塊，隨后再產(chǎn)生下一個脈沖。通過示波器觀察發(fā)現(xiàn)，此時產(chǎn)生的后續(xù)脈沖是緊接著上一個脈沖的結束時的相位繼續(xù)振蕩的，起始相位就是前一個脈沖結束時的相位。可以認為，主復位信號達到了使AD9854的DDS內(nèi)核在脈沖間歇期間停止運行的目的，但是其中的數(shù)據(jù)并未被復位。

為此在主復位以前通過并行接口將AD9854的可編程寄存器內(nèi)的有關數(shù)據(jù)全部寫零，然后進行復位，接著寫入下一個脈沖的全部數(shù)據(jù)，尤其是相位數(shù)據(jù)，此時通過示波器可以觀察到后續(xù)脈沖的振蕩起始相位與相位寄存器的數(shù)據(jù)相符，達到了控制振蕩起始相位的目的。

4.2　硬件電路

AD9854有并行和串行的數(shù)據(jù)接口，考慮到脈沖合成中需要大量的寫入數(shù)據(jù)，建議使用并行接口，電路設計中盡可能使單片機能夠控制AD9854的所有數(shù)字控制端，便于系統(tǒng)的功能擴充，相應的硬件電路如圖3所示。

圖3　CPU與AD9854的接口電路

圖3中SN74LVC245用于數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動，在數(shù)據(jù)總線上主要有AD9854和液晶顯示屏，而且液晶顯示屏安裝于儀器面板上需要較長的連線，因此進行驅(qū)動是必須的。SN74LVC573用于鎖存當前地址，其ALE信號因為LM3S811不具備MCS51的專門ALE引腳而由I/O引腳發(fā)出。

4.3　軟件編程

根據(jù)4.1節(jié)所述的實現(xiàn)方法能夠很方便地編寫出實現(xiàn)振蕩起始相位控制的單片機程序，具體細節(jié)取決于單片機的型號。建議使用匯編語言編程，使相關參數(shù)的控制準確有效。圖4是模擬產(chǎn)生雷達中頻回波信號(圖2所示)時的簡略程序框圖。

圖4　AD9854實現(xiàn)振蕩起始相位可編程控制的程序框圖

5結束語

AD9854是直接數(shù)字頻率合成芯片中功能較齊全的一款經(jīng)典產(chǎn)品，廣泛應用在頻率合成、信號模擬等領域，本文在對其內(nèi)部結構深入研究的基礎上，通過試驗實現(xiàn)了對其輸出的脈沖信號起始相位的可編程控制，并成功應用于雷達中頻回波信號的模擬器中，實現(xiàn)了對脈沖雷達固定目標回波信號的模擬。在此基礎上，結合AD9854的多種信號合成能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對固定載頻脈沖雷達、線性調(diào)頻雷達以及其它不同信號形式的雷達信號的合成和模擬。以該雷達中頻回波信號模擬器作為信號合成模塊的雷達故障診斷系統(tǒng)已配備各型雷達站，同時也進一步證明了AD9854是一款十分優(yōu)秀的DDS合成器芯片。

參考文獻：

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[3]Analog Devices．CMOS 300MSPS Quadrature Complete-DDS AD9854[Z]．Analog Devices,2000.

[4]石雄，朱光喜. 基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統(tǒng)[J].電子技術應用,2004(2):28-31.

[5]石雄. 基于DDS技術的雷達中頻回波信號模擬器[J].武漢工業(yè)學院學報，2008(1):35-38.

Programmable control on initial phase of oscillation using AD9854

YANGPei-kai,ZHANGJing，LIUYa,SHIXiong,LILin

(School of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)

Abstract：Based on depth study of internal structure and external interface of AD9854,singlechip is applied to control its interior programmable register and related accumulator through parallel interface of AD9854, to explore feasible control method. After reiterative experiment, programmable control is achieved on initial phase of oscillation of output pulse of AS9854. This method has been applied on some radar echo signal simulator,and fulfilled fixed objective echo signal synthesizing.

Key words：direct digital frequency synthesis；oscillation starting phase；the programmable control

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目(科技A類)(JA13432);福建省自然科學 (2013J01248).

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.022 10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.017

文章編號：2095-7386(2015)02-0098-05 2095-7386(2015)02-0074-05

作者簡介：王展展(1989-)，男，碩士研究生，E-mail:584158771@qq.com. 孫順紅(1984-)，女，助教，E-mail:sunshunhong@hqu.edu.cn.

收稿日期：2014-12-23. 2015-01-05.

中圖分類號：TN 957.51

文獻標識碼：A