利用单片机和DDS实现高精度频率综合源*

汪海燕

(安徽电子信息职业技术学院 电子信息系，安徽 蚌埠 233060)

当前，通信雷达等很多的电子系统对频率综合源的期望非常高，希望同时达到相位噪声低、频率分辨率高、带宽宽、体积小、功耗低等要求.上世纪中后期(70年代)，IC技术和微电子技术的发展态势异常迅猛，涌现出很多种新颖的频率合成方法.其中的直接数字式频率合成技术(DDS)，基于相位角度实现频率合成，存储技术数字化，所以频率范围宽、频率精度稳定度高、转换时间短，这些指标表现优异.可以说，这是一种全新的频率合成手段，带来频率合成技术的一波革新[1].

1 AD9854芯片介绍

ADI公司(Analog Devices,Inc)生产众多类型DDS集成芯片，在DDS芯片市场占有统治性地位.AD985X系列是ADI公司推出较早，市场口碑较好的系列之一，属于低功耗、高性能型的芯片.AD985X系列工作频率高，极限工作频率超过1GHz，这个系列全部芯片的输出无杂散动态范围相当宽泛，而且芯片接口类型十分丰富，包括串行并行，同时能输出各种常规正弦、余弦、方波波形[2].

1.1 AD9854芯片

AD9854芯片集成度高，采用0.35umCMOS技术，工艺先进，单路3.3V供电.芯片具有48bit，无杂散动态范围优异.在数字控制字下，控制输出的信号频率，产生正交频率信号.AD9854可以合成相位、频率、幅度可控的稳定信号.参考时钟具有4×～20×倍乘器，能够在外部信号有限的情况下，产生600MHz系统时钟，为获得此频率提供了便利.芯片相位寄存器有14bit，有一个引脚控制实现二相相移键控方式，用户更改信号相位，结合芯片输入/输出接口可实现相移键控操作.此芯片合成信号在通信、雷达等信号系统应用极其广泛.

1.2 AD9854的工作模式

此芯片具有FSK、CHIRP、SINGLE-TONE、RAMPED FSK、BPSK 5种可编程的使用方式，受三位控制寄存器控制，在每一种模式下，具有不同功能.表1列出了具体工作模式情况下所具有的对应功能.

表1 AD9854工作模式

1.3 AD9854的使用

AD9854芯片的使用，基于用户编程来控制，读写芯片寄存器,另外可以同时结合具体外围电路，满足不同具体要求.

控制寄存器在编程时不可或缺，非常重要.其每一位都直接影响AD9854的操作，具体位所表示的含义见表2.

表2 频率控制字各位

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AD9854内部的特定(48bit)的频率转换寄存器，使用者能够依照该表分6次写入频率转换字，然后写入相关控制寄存器的具体值.此外模式011、100下，需考虑29引脚达到频移键控和二相相移键控工作模式.

1.4 AD9854的串行操作

考虑AD9854串行操作，特定指令字节用来指定地址，包括读写操作和寄存器地址.对于DDS串行操作，在寄存器上执行，所以串行端口控制器要能够达到识别指令字节寄存器地址的目的(相应的寄存器字节地址在此过程中自发生成).通常控制器应当传送寄存器全部Bit，又由于IOSYNC指令能够中断一次I/O操作，因此只需传送部分Bit.

通常串行通信周期可以划分前后2个区间.其中前一阶段为指令阶段，其控制串行时钟的脉冲边沿.后一阶段是通信阶段，在单片机和DDS芯片之间进行数据传递.具体格式见表3.

表3 AD9854串行通信指令字格式

2 用AD9854快速开发频率综合源的实例

信号的产生采用DDS专用芯片AD9854，控制芯片采用AT89S52单片机芯片，为爱特梅尔公司产品.AT89S52全静态操作能达到0Hz～33Hz，全双工UART串行通道，并有8个中断源，兼容性能方面表现也很优秀.AT89S52为低功耗、高性能单片机，诸多优点使得它成为诸多控制场合获取灵活、可靠方案的选择.

图1 频率综合源组成框图

相关硬件电路设计，根据选用芯片的数据手册来具体考虑.包括结构设计、接口设计.由AD9854构成DDS的组成框图如图1所示.该系统由控制模块(单片机)、AD9854芯片参考时钟、信号隔离、时钟激励、低通滤波器、宽带放大器、电源等相关电路构成.

AD9854和AT89S52之间没有直接连接，需要设计两者之间的接口电路，不仅可以将AT89S52的控制字传送至AD9854芯片，还可以很好解决电源之间的匹配问题(3.3v～5v).具体来说，主要包括控制电路、电源、复位电路的解决措施.另外亦考虑电平隔离电路、低通滤波电路、幅度控制电路设计及其他电路[3，4].

系统软件方面，将模块化设计(Block-based design)实施至系统软件设计之中，即把一个功能较大完整程序模块，分解为相对较小模块,分解后较小的子程序或模块功能相对独立，其能够分别单独来设计、独立检测.模块化程序设计中，小单元实现简单，逻辑不复杂，都可单独完成，也使调试和测试更简单，程序维护、修改更方便.

高速单片机完成AD9854芯片的初始化，频率信息和控制信号由用户实时送入，合成之后的信号输出至外围电路.此外，用户与单片机的通信速度，以及程序中的指令数，都会直接影响频率转换速度[5，6].程序流程如图2所示.

图2 程序流程图

3 测试及结果分析

测试条件如下：

U3751-ADVANTUST频谱测试仪；

TDS2000-泰克数字存储示波器；

JWY-30C型直流稳压电源.

考虑单音输出.参考信号选择50MHz，令M=4.特将测试点选择在芯片的输出引脚(Iout)处，用ADVANTUST公司的U3751频谱分析仪采集未经滤波的输出信号，得到频谱图分别如图3～图4所示.

图3 频率综合源输出频率为46.5MHz

图4 频率综合源输出频率为55MHz

频谱分析仪接入口加了15dB衰减，实际信号功率为-7～-8dBm左右，满足混频器要求，频率精度也很高，只有几十赫兹的偏差.杂散功率低于-70dBm.

图5、图6两图是展宽，Span=5KHz时，输出46.5MHz(图5)与信号发生器输出1.5MHz(图6)的比较图.比较发现输出的信号与频率综合源波形类似，带宽基本一致，说明输出信号带内杂散很小.

图5 频率综合源输出频率为46.5MHz

图6 频率综合源输出频率为1.5MHz

4 结束语

DDS芯片性能优劣直接影响频率综合源的输出信号[7]，因此考虑性能、功耗等要素，可选择新一代DDS芯片.譬如，强调高性能，可以选用AD9858、AD9959等芯片，后者四通道，四个DDS核，调频速度高，输出信号频率高.如强调低功耗，减少外围器件，可以选用工作频率400MHz的AD9954，亦或AD9952，成本低，方便的实现本系统的调制功能，输出不失真信号可达160MHz.

文中的频率合成器采用ADI公司AD9854芯片，结合AT89S52单片机,结构灵活,能实现高精度频率合成，设计外部接口电路,方便实现模块化.实验表明该系统高效、高精度、简单且可靠.