基于AD9958的双通道正弦信号源的设计

刘大成，张洪水，杨 阳

（92785部队 辽宁 绥中125200）

基于AD9958的双通道正弦信号源的设计

刘大成，张洪水，杨 阳

（92785部队 辽宁 绥中125200）

为实现获取高精度双通道正弦信号源的目的，针对高性能频率合成器AD9958的性能特点，结合增强型、低功耗51单片机，设计一种基于DDS技术的高精度双通道正弦信号源。介绍了AD9958的主要功能特点，并对其内部结构进行说明，通过SPI接口通信实现了与FPGA的通信控制，介绍了系统硬件原理及接口关系，最后选取3个频率点进行测量，结果为系统误差小、精度高、响应快，证明系统满足设计使用要求，达到了预期目的。

信号源；AD9958；STC12C5412；SPI接口

在通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测和电子测量等领域，高精度正弦信号源广泛应用，其中信号频率的控制和稳定度是其主要指标因素。目前，常用的LC振荡器、RC振荡器已不能满足要求，随着DDS技术的快速发展，以DDS芯片为核心设计信号源已成为潮流。本文根据实际使用需要设计高精度双通道正弦波信号源，它以DDS芯片AD9958为核心，采用单片机控制的方式产生正弦波信号，信号频率、幅度和相位精度可控。

AD9958是美国ADI公司生产的双路输出的DDS器件，每路可单独控制频率、相位和幅度，能产生500 MHz的模拟正弦波，具有频率转换时间短、频率分辨率高、功耗低等优点，同时由于两个通道共享一个公共系统时钟，具有固有的同步性，可支持多个设备同步，因此可以很容易地对信号实现全数字式调制。

单片机选择宏晶科技公司生产的STC12C5412，它是新一代增强型、低功耗51单片机，具有2K非易失E2PROM和SPI接口，非常方便与AD9958[1]接口，实现对信号的控制。同时由于STC12C5412具有先进的RISC精简指令集结构、硬件看门狗、4路PWM、8路高速A/D转换、超强抗干扰、宽电压和低功耗等特点，在此作为控制芯片使用[2]。

1 AD9958介绍

1.1 主要性能特点

1）2路带10位DAC的DDS通道；

2）最高取样频率为500MSPS；

3）内部时钟4倍频至20倍频可编程选择；

4）大于72dB的通道隔离度；

5）16级频率、相位、幅度调制；

6）32位频率分辨率；

7）14位相位失调分辨率；

8）10位输出幅度可缩放的分辨率；

9）有800Mbps增强数据吞吐量的串行I/O口（SPI）；

10）内置多器件同步功能。

1.2 结构说明

AD9958有2个DDS核，能够提供2个内部同步、独立编程的输出通道；可进行独立频率、相位和幅度控制；可编程的通道控制，可以对由于模拟处理（例如滤波、放大）或者PCB布线的失配而产生的外部信号通道的不均衡进行校正，也能够对多通道信号之间的不平衡提供有效的校正控制，实现同步；如果需要增加通道，允许通过菊花链方式连接多片DDS芯片。AD9958的内部结构如图1所示。

它由相位累加器、数据寄存器、时序与控制逻辑电路、模数转换器、多路选择器、相位寄存器和SPI串行通信接口控制器等组成。图中CS为芯片的片选信号输入端，高电平有效。SDIO_0～SDIO_3为双向引脚，用于串行操作的数据输入和输出。SCLK为I/O串行操作时钟输入端，在该端的上升沿写入数据，下降沿读出数据。IOUT为输出引脚，两个通道各有一个互补输出端，使用时需接高拉电阻至电源。

图1 AD9958的内部原理图

2 SPI接口通信

AD9958具有SPI串行通信接口[3]，极易实现与单片机的通信。SPI通信是通过SDIO_0～SDIO_3、CS和SCLK等引脚实现的。为保证能正确传送数据到AD9958的数据寄存器，要严格按照通信命令格式及时序的要求进行。读取寄存器命令格式见表1，命令序列由8位二进制数组成，第一位为读/写控制位，为“1”则读取寄存器数据，为“0”则向寄存器中写入数据；中间两位为无关位；最后五位为寄存器选择位，D0～D4分别对应寄存器A0～A4。图2说明了向AD9958写指令或数据的操作时序。

表1 命令字格式

AD9958与单片机的通讯周期分为两个阶段，第一阶段为指令周期，当SCLK为上升沿时，将8位数据依次写入AD9958中；第二阶段为数据传送周期，此时传送波形参数的控制字。其中CS低电平的时间必须为16个时钟的整数倍，否则将中止命令。

STC12C5412单片机为了和AD9958的SPI通信相对应，单片机选择主模式作为主机工作，AD9958作为从机工作。按照AD9958的时序图要求，STC12C5412配置如下：控制位CPHA=1，前时钟沿驱动，后时钟沿采样，CPOL=0，SPICLK空闲时为低电平，前时钟沿为上升沿，后时钟沿为下降沿。SPI时钟速率选择为CPUCLK/16[4]。

图2 SPI时序波形图

3 硬件电路设计

系统硬件设计[5-6]原理如图3所示。电路由DDS芯片AD9958、晶体振荡器、放大滤波电路、输入模块、分压电阻和单片机STC12C5412等组成。

通过输入模块向单片机发送指令参数，设置信号源的输出信号。单片机通过SPI接口与AD9958连接，完成对其内参数的写操作。电路设计中，为提高SPI通信的可靠性，在时钟SLK、SDIO_0～SDIO_3各线上可加100 pF的对地电容滤除掉干扰毛刺。为保证采样精度，AD9958的引脚VDD和VSS对地各接一只0.1 μF的陶瓷电容，并且电容应尽可能的靠近芯片引脚。

由于AD9958的IOUT输出端采用的是电流输出方式，所以在输出端需接对地电阻，将电流信号变为电压信号。IOUT端输出范围为10～30 mA，在此选择阻值为30 Ω的电阻接地，这时经过电流电压转化后，其输出电压峰值约为900 mV。

图3 系统原理图

4 软件设计

该双通道正弦信号源的软件设计主要完成SPI数据读取及处理工作，程序采用VC语言编写，程序流程框图如图4所示。

图4 主程序框图

所有命令都是通过将CS引脚设置为低电平，并随后将命令字节和紧跟的数据字节移入16位移位寄存器完成的。当CS上升后执行命令。数据在时钟上升沿送入，器件会记录CS处于低电平时的时钟数（上升沿），如果时钟数不是16的倍数，则中止所有命令。当要将新数据写入数据寄存器时，命令选择位C1和C0分别置为0，1，P0置为1。

5 试验结果分析

选取3个频率点进行测量，测量数据如表2所示。其中频率准确度最高，测量设备为6位有效数字，几乎测不到误差值，这也表明了DDS技术的优越性；由于系统响应时间很快，设定频率变化后，两路频率同时瞬时变化；幅度存在误差，原因是后级滤波放大电路电容和电阻的电器特性不一致所造成，与AD9958的性能无关。

表2 测量数据

6 结束语

文中对双通正弦道信号源的硬件系统和软件系统进行了设计，给出了硬件框图和软件流程图，同时搭建电路对设计成果进行测量分析，得出的测量结果满足设计要求，表明设计的可行性和科学性，为工程应用提供科学依据。

以AD9958作为核心设计的信号源除具有高稳定性、高精度、高分辨率、高速建立信号等突出优点，还具有可以输出2路同步信号、可以多片芯片同步链接等优点，可应用在各种工作领域，有着广阔的应用前景。

[1]Microship Technology Inc.MCP41100 Data Sheet[EB/OL].（2006）.http://www.ortodoxism.ro/datasheets/microchip/11195c.pdf.

[2]宏晶科技公司.STC12C5412AD Data Sheet[EB/OL].（2002）.http://soft.laogu.com/download/stc12c5412ad.pdf.

[3]詹俊鹏，张鹏恺，李鹏.基于AD9958多波形雷达信号源软硬件的设计[J].电子设计工程，2009（1）:69-71.

[4]宋征，许国宏，李星.基于AD9959的高精度多通道雷达信号源设计[J].电子设计工程，2012（9）:95-97.

[5]周美丽，刘生春，白宗文.基于AD9957的双通道高速数字调制信号源的设计[J].电子设计工程，2007（7）:39-41.

[6]陈凌云.C波段频率合成源的研制[D].南京:南京理工大学，2005.

[7]刘静，段建东，陆海龙，等.基于电流固有频率的VSCHVDC直流线路保护[J].陕西电力，2015（11）：31-36.

Design of double-phasic high precision sine wave signal source based on AD9958

LIU Da-cheng，ZHANG Hong-shui，YANG Yang
（92785 Troops，Suizhong 125200，China）

To obtain high precision dual sine signal source to achieve the purpose，according to the performance characteristics of high performance frequency synthesizer AD9958，with enhanced，low power 51 microcontroller，design a DDS based high precision double channel sine signal source.This paper introduces the main function characteristics of AD9958，and its internal structure is described，through the SPI interface communication with communication control FPGA，introduced the system hardware principle and interface relations，finally selected 3 frequency points were measured，results for the system error is small，high precision，fast response，that the system meets the design requirements，to achieve the expected goal.

signal source；AD9958；STC12C5412；SPI interface

TN761

B

1674－6236（2016）18-0191-03

2015-09-07 稿件编号：201509053

刘大成（1982—），男，河北迁安人，工程师。研究方向：雷达工程。