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　　摘要：為滿足航空電子、雷達設(shè)備和通信系統(tǒng)等領(lǐng)域相對低相位噪聲、穩(wěn)定工作、高分辨率、快頻率轉(zhuǎn)換以及低功耗的通用信號源的需求，提出了一種采用高性能控制器C8051F020控制AD9959頻率合成芯片的設(shè)計方法和軟件設(shè)計流程，zui終實現(xiàn)了單頻點12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調(diào)頻3路信號輸出，并對測試結(jié)果進行了分析。測試結(jié)果表明，此方案設(shè)計的信號源具有頻譜純，相噪低，轉(zhuǎn)換時間快等特點，可滿足實際系統(tǒng)的需要。
　　
　　引言
　　
　　頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備之一。低相位噪聲、高頻譜純度、高捷變速率和高頻率分辨率的頻率合成器已經(jīng)成為頻率合成技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)，它的主要特點包括使用方便靈活，具有變頻范圍廣，頻率步進小，幅度和頻率精度高，調(diào)諧方便，體積小，重量輕以及易于集成等優(yōu)點，在當(dāng)今電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
　　
　　本文通過C8051F020單片機實現(xiàn)對AD9959頻率合成芯片的連接控制，結(jié)合少量外圍電路即構(gòu)成一個完整的低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度、高可靠性的頻率合成器。本信號源的直接頻率合成器將通過對單片機C8051F020的標準SPI端口編程控制AD9959芯片的寄存器，從而實現(xiàn)單頻點12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調(diào)頻3路相參信號輸出。
　　
　　1、系統(tǒng)方案設(shè)計與功能單元介紹
　　
　　1．1系統(tǒng)方案設(shè)計
　　
　　本設(shè)計的主控芯片采用了新華龍公司的C8051F020單片機，信號產(chǎn)生芯片采用美國ADI公司的具有4路通道的DDS芯片AD9959，電源部分采用能提供5V和3．3V的穩(wěn)壓開關(guān)電源。系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。　　
　　1．2AD9959芯片
　　
　　AD9959是美國ADI公司推出的一款四通道、低功耗、高速直接數(shù)字頻率合成器，采樣頻率高達500MSPS。該芯片內(nèi)部集成了4個DDS內(nèi)核，可對4個內(nèi)部同步輸出通道進行獨立編程。通過1個公用系統(tǒng)時鐘在芯片內(nèi)部同步其獨立的通道，每個通道的功率小于165mW。可以實現(xiàn)zui多16級的頻率、相位和幅度調(diào)制（FSK，PSK，ASK）。通過應(yīng)用數(shù)據(jù)到配置管腳可控制調(diào)制水平。另外，也可以工作在線性掃頻、掃相或掃幅模式。應(yīng)用到雷達和測量儀器中，還可以對由于模擬處理（例如濾波、放大）或者PCB布線失配而產(chǎn)生外部信號通道的不均衡進行有效的校正。
　　
　　該器件集成了具有突出的寬帶和窄帶SFDR特性的4路高速10位DAC。每一個通道都具有32位頻率控制字，14位相位控制字，10位輸出幅度控制字。它被廣泛地應(yīng)用在本地振蕩源、相控陣列雷達／聲納系統(tǒng)、測量儀器／儀表、同步時鐘及RF信號源等方面。其特性如下：
　　
　　（1）有4路帶10位DAC的DDS通道，zui高取樣頻率為500MSPS；
　　
　?。?）各個通道都有獨立的頻率／相位／幅度控制功能；
　　
　?。?）大于65dB的通道隔離度；
　　
　?。?）線性頻率／相位／幅度掃描功能；
　　
　?。?）zui高可達16級的頻率／相位／幅度調(diào)制；
　　
　?。?）DAC既可縮放電流又可獨立編程；
　　
　?。?）0．116Hz或者更好的頻率調(diào)整分辨率；
　　
　?。?）32位頻率分辨率；
　　
　?。?）14位相位偏移分辨率；
　　
　?。?0）10位輸出幅度可縮放的分辨率；
　　
　?。?1）具有增強數(shù)據(jù)吞吐量的串行I／O口（SPI）；
　　
　　（12）可通過軟件／硬件控制節(jié)電模式，以降低功耗；
　　
　?。?3）雙電源供應(yīng)（DDS核1．8V，串行I／O3．3V）；
　　
　　（14）內(nèi)置多器件同步功能；
　　
　?。?5）內(nèi)置時鐘倍頻鎖相環(huán)（4～20倍倍頻）；
　　
　?。?6）可選擇參考時鐘源。
　　
　　2、系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　2．1程序設(shè)計流程
　　
　　該系統(tǒng)中主要使用了帶有SPI總線的C8051F020單片機的P1和P2幾個I／O端口，它們與AD9959的連接示意圖如圖2所示。　　
　　在單片機編程的主函數(shù)中首先要關(guān)閉看門狗，否則每當(dāng)執(zhí)行到斷點時，程序?qū)D(zhuǎn)到入口點從頭執(zhí)行。接著初始化單片機的時鐘（使用外部高精度、高穩(wěn)定度晶振22．1184MHz）和I／O口配置，然后通過I／O端口對AD9959進行初始化、選擇通道、寫入相對應(yīng)的控制字、發(fā)送I／O_UPDATE信號，輸出所要求的信號。單片機的程序流程圖如圖3所示。　　
　　2．2單頻點信號產(chǎn)生
　　
　　本系統(tǒng)要產(chǎn)生12MHz和48MHz的正弦波信號，根據(jù)輸出頻率的計算公式：f=（FTW·fs）／232，可以算出頻率控制字FTW的值為FTW=（fo·232）／fs，當(dāng)fs=500MHz時，輸出12MHz頻率對應(yīng)的頻率控制字為：FTW=0624DD2F；48MHz對應(yīng)的頻率控制字為：FTW=189374BC。然后只需要將控制字寫到AD9995的CTW0寄存器中即可。下面是具體的操作過程：
　　
　?。?）AD9959初始化，使其內(nèi)部寄存器處于初始狀態(tài)，即工作模式為單頻模式，頻率控制字和相位控制字均置0，Single-Bit串行數(shù)據(jù)傳輸。
　　
　　（2）設(shè)置系統(tǒng)參考頻率為100MHz，倍頻為PLL=5。
　　
　?。?）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，發(fā)送通道0所需要的頻率控制字0624DD2F到I／OBuffer。
　　
　?。?）通道1使能位置1，其他通道使能位均置0。
　　
　?。?）使用串行I／O口，發(fā)送通道1所需要的頻率控制字189374BC到I／OBuffer。
　　
　?。?）發(fā)送I／O_UPDATE信號，將I／OBuffer中的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部寄存器（ActiveRegister）。
　　
　　輸出信號的波形可以在測試結(jié)果與分析中的圖4和圖5看到。　　
　　2．3線性調(diào)頻信號產(chǎn)生
　　
　　AD9959沒有直接產(chǎn)生線性調(diào)頻的功能模式，但是可以通過間接的方法實現(xiàn)此功能，其原理與能產(chǎn)生線性調(diào)頻的AD9854一樣，都是在線性掃頻的過程中改變掃頻步進控制字（RDW／FDW）和掃頻駐留時間控制字（RSRR／FSRR）。所以只有在AD9959掃頻的過程中根據(jù)實際需要不停地更改RDW／FDW和RSRR／FSRR，就可以得到線性調(diào)頻信號。
　　
　　對于線性調(diào)頻工作狀態(tài)的實現(xiàn)，還有一點需要說明。由于線性調(diào)頻信號是有時寬限制的，因此在輸出線性調(diào)頻信號的時候，需要外部定時器來實現(xiàn)對時寬的控制。
　　
　　具體操作為：先把線性掃頻模式配置為非駐留線性掃頻模式，然后起始頻率、結(jié)束頻率、上升掃頻步進控制字（RDW）和上升掃頻駐留時間控制字（RSRR），zui后利用單片機的定時器定時控制P2管腳，以對線性調(diào)頻信號進行控制。
　　
　　本系統(tǒng)需要產(chǎn)生帶寬30MHz的線性調(diào)頻信號，在這里將中心頻率設(shè)為50MHz，故起始頻率設(shè)為35MHz，結(jié)束頻率設(shè)為65MHz，上升掃頻步進頻率設(shè)為1kHz，上升掃頻駐留時間設(shè)為zui小值8ns，然后給系統(tǒng)送一個I／O_UPDATE信號，把將寫入到寄存器的值導(dǎo)入到DDS內(nèi)核中。
　　
　　當(dāng)P2由低電平變到高電平時（具有I／O_UPDATE功能），AD9959就開始從起始頻率掃向結(jié)束頻率，每過8ns芯片自動將RDW的值送到頻率累加器（不是相位累加器），以線性改變輸出的頻率值，當(dāng)?shù)竭_結(jié)束頻率時，DDS芯片會自動返回到起始頻率。此過程的時間總共為240μs（即時寬為240μs），定時器定時240μs后，P2取反，周期變化，這樣就可以周期地產(chǎn)生線性調(diào)頻信號了，其實際輸出波形如圖6所示。　　
　　3、測試結(jié)果與分析
　　
　　經(jīng)過實驗調(diào)試，zui終輸出了單頻點的12MHz，48MHz信號和帶寬為30MHz的線性調(diào)頻信號。下面是測試所得圖片。
　　
　　圖4顯示了12MHz信號輸出波形?？梢钥闯?，其波形失真度小，而且實測輸出頻率為11．9986MHz，非常接近12MHz，波動范圍為11．914MHz到12．073MHz，輸出頻率穩(wěn)定。
　　
　　圖5顯示了48MHz信號輸出波形?？梢钥闯觯洳ㄐ问д娑刃?，而且實測輸出頻率為48．01721MHz，與所要求的輸出頻率相差不大，輸出頻率穩(wěn)定。
　　
　　圖6顯示了帶寬為30MHz線性調(diào)頻信號的輸出波形?？梢钥闯?，輸出信號的波形幅度穩(wěn)定，相位連續(xù)，失真度小。
　　
　　4、結(jié)語
　　
　　DDS作為一種成熟的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)就是在DDS芯片AD9959的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了2kHz～200MHz頻段任意頻點的正弦波信號輸出以及帶寬為30MHz的線性調(diào)頻信號輸出，AD9959有4個輸出通道，通道之間隔離度均值達到了74．2dBm，具有良好的隔離度，其輸出信號經(jīng)示波器、頻譜儀分析穩(wěn)定性好，頻率相位分辨率高，相噪低，能滿足無源雷達信號源以及其他設(shè)備信號源的要求，具有很好．的應(yīng)用價值。