基于单片机和DDS的高频信号源的设计

中北大学计算机与控制工程学院 宋雁鹏

基于单片机和DDS的高频信号源的设计

中北大学计算机与控制工程学院 宋雁鹏

声光可调谐滤光器（Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF）与传统的分光器件（如棱镜）相比，其分光功能的实现对信号源具有较高的要求，根据AOTF对不同频率高频信号的响应的特点，利用直接数字频率合成器（DDS）及单片机设计了一个在30-250MHz频段内任意频率，幅值、相位可调的高频信号源。该系统主要包括单片机控制模块、DDS信号发生模块、信号滤波电路三部分组成。通过单片机控制DDS进行频率合成，经实验证明，该电路能够在30-250MHz范围内任意频率点处输出幅度可调的正弦信号，满足AOTF工作要求。

AOTF；AD9910；单片机

1 引言

AOTF要实现分光作用,需要在其换能器端施加某一固定频率的高频信号,当该信号与入射到AOTF里的准直复色光相互作用,且满足反常布拉格(Bragg)衍射条件时,AOTF会衍射出不同波长的光,其光波波长与所施加的信号源频率一一对应[1]。随着科学技术的发展,频率合成技术从开始的直接频率合成DS(Direct Synthesis)逐渐发展为目前的以直接数字频率合成技术DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)为代表的第三代频率合成技术,具有频率分辨率高、频率转换速度快、频率相位可控、全数字集成化等特点[2-3]。本系统采用DDS产生高频信号作为驱动信号源,通过C8051F020单片机对其进行控制,输出信号频率分辨率为0.1KHz。

图1 信号源总体框图

2 硬件电路设计

系统总体框图如图1所示,主要由控制电路模块、频率合成模块和滤波电路模块等部分组成。通过串口转换芯片MAX3232实现上、下位机之间的通信。单片机接收到上位机下达的指令后解析,生成所需要的频率控制字,通过调整频率控制字来控制DDS输出不同频率的信号。DDS选用AD公司的AD9910芯片,其内部时钟频率最高可达1GHz,最大输出频率为400MHz[4]。DDS输出的信号经过低通滤波器LPF后加载到负载上驱动AOTF进行衍射。为了减少由于外部晶振频率过高引发的相位噪声和其他干扰,本方案采用25M温补晶振作为系统外部时钟源,经DDS锁相环电路倍频后可得到1GHz的系统时钟信号。

2.1 DDS硬件电路设计

DDS从相位的角度出发来进行频率合成,从而在产生不同频率任意波的同时,对其初始相位也可进行调整。通过对预先存入内部存储器中的数字信号进行寻址查找后,将该数字信号经过D/A转换、滤波即可形成模拟量波形。DDS的频率合成主要依靠对其时钟参数的设置,如图2所示为AD9910硬件连接图。为了提高系统最终输出信号的分辨率,降低干扰,系统中采用了25MHz有源温补晶振,并通过REF_CLK引脚将外部时钟输入到AD9910,内部锁相环将晶振25MHz外部时钟经过40倍倍频后得到1GHz系统时钟。图2中的R1、C1、C3所构成的RC滤波器作为锁相环外围电路,通过设置不同的值可以得到不同的倍频倍数,其相关参数可由式(1)～(3)得到[4]:

式中M为分频比,KD为鉴相器增益,KV为VCO增益, fOL为环路带宽,为相位余量。

DDS经过分频后输出信号最大频率为250MHz,满足声光可调谐滤波器AOTF的工作需求。其后续DAC输出信号为差分电流信号,不利于进行电路调试和测量,为此通过50Ω电阻将该电流信号转换为电压信号。

系统采用低通椭圆滤波电路,在阶数相同的条件下,椭圆滤波器与其他类型的滤波器相比,其过渡带更窄,阻带波动更小,考虑到系统最大输出频率为250MHz,所设计滤波器通带范围应有一定余量,故设计了截至频率为400MHz的低通椭圆滤波器,如图3所示,图4为滤波器频域仿真结果。

图2 AD9910硬件电路

图5 C8051F020硬件连接图

图3 400MHz低通滤波电路

图4 滤波器频域仿真结果

2.2 单片机控制电路设计

单片机作为一种主流控制芯片,具有结构简单、功耗低、环境适应能力强等特点,广泛应用在航空航天、家用电器、交通运输等方面[5]。本系统采用C8051F020单片机,其指令可与其他类型51单片机完全兼容,其处理速度普通51单片机的几倍;且该单片机内部集成了A/D和D/A转换器,可方便的搭建一个混合信号系统;其具备很强的外扩能量,可以适应I2C、SPI、SMbus等不同总线接口;还具备可编程数字I/O和交叉开关,方便用户根据不同的需求来定义数字引脚的功能[6-7]。

图6 单片机与AD9910连接图

系统中,将P0.0、P0.1分配给UART0端口,用来接收上位机传输的指令,如图5所示为单片机外围电路。图中U2为串口通信芯片MAX3232,用以实现上、下位机之间的数据通信。将端口P0.2、P0.3、P0.4配置成SPI功能引脚SCK、MISO和MOSI,用来和DDS相连,控制DDS,单片机与AD9910接口示意图如图6所示。

SCLK为串行时钟,SDO为串行数据输出端,SDIO为串行数据输入引脚,单片机通过串行端口配置DDS内部寄存器,控制DDS信号输出;为串行I/O端口,作为片选信号端,I/O_UPDATA引脚用于启动I/O缓冲器数据转移,将缓冲器中的数据传输到器件有效寄存器中; I/O_RESET可为单片机与DDS通信出现故障时实现对I/O复位;PROFILE0,PROFILE1,PROFILE2为PROFILE选择引脚,通过选择这3个引脚的高低电平选择8个PROFILE,但是PROFILE引脚的选择必须满足DDS中SYNC_CLK上升沿的建立的要求。

3 系统软件设计

AD9910的工作模式可分为单频模式、RAM调制模式,扫频模式和并口调制模式四种。本系统中只需要单一频率信号,故通过AD9910寄存器将DDS设置为单频工作模式。

图7 软件流程图

图8 125MHz实测值

如图7为系统软件工作流程图,先对单片机进行初始化,然后进入串口中断判断是否收到上位机发送的中断指令,若收到中断指令,则执行中断服务程序,并对中断指令进行解析,生成对应的频率控制字和其他控制参数,若没有收到中断指令,则返回继续判断,直到收到中断指令后执行下一步。然后将频率控制字及其他配置参数送到AD9910的寄存器中进行配置,然后产生所需要的波形后,程序返回到等待中断状态,继续判断是否接收到下一条中断指令。

4 实验与结论

本系统采用单片机与DDS来产生特定频率的信号,其操作简便,输出信号稳定,频率转换速率快,输出频率范围为30～250MHz,测试结果完全满足设计要求。如图8所示,在125MHz时,输出信号为680mVpp。所设计电路实物如图9所示。

图9 硬件电路实物

［1］Wang Jianyu,He Zhiping,Shu Rong.Design and applications of space-borne imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filter (AOTF)［C］//SPIE.2010:7857.

［2］李俊,谭秋林,崔永俊,等.基于AD9910的高频多模式信号发生器的设计［J］.电视技术,2012,36(9).

［3］范治田.新型数字化可编程频率合成器DDS.［J］现代电子技术,2003,12:26-28.

［4］Analog Devices Inc..AD9910 Datasheet［Z］.2008.

［5］Cygnal Integrated Products,Inc.潘琢金,孙德龙,等译. C8051F单片机应用解析［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

［6］ 冯宇清,李秀亮.基于FPGA的宽频数字锁相环设计［J］.舰船电子工程,2012,32(7):72-74.

［7］ 王永涛,韩建,牟海维,全星慧.基于单片机与AD9852的信号源设计［J］.电测与仪表,2006,43(7):39-41.

宋雁鹏（1989—），山西汾阳人，硕士研究生，研究方向：电路检测与设计。