基于DDS的多通道信号源设计

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。