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。