应用AD9854实现振荡起始相位的可编程控制

杨培凯，张　晶，刘　娅，石　雄，李　林

(武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430023)



应用AD9854实现振荡起始相位的可编程控制

杨培凯，张晶，刘娅，石雄，李林

(武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430023)

摘要：在对AD9854的内部结构和外部接口进行深入研究的基础上，运用单片机通过AD9854的并行接口对其内部的可编程寄存器和相关累加器进行控制，经过反复试验探索出了可行的控制方法，实现对AD9854输出脉冲的振荡起始相位的可编程控制。该方法已经用于某型雷达回波信号模拟器中，成功合成了固定目标回波信号。

关键词：直接数字频率合成;振荡起始相位;可编程控制

1引言

直接数字频率(DDS)合成技术是第三代频率合成技术，在过去的二十年里迅速发展并逐渐成熟，DDS的全数字化的结构、极高的频率分辨能力、快速的频率变换能力等优点使其应用领域日益扩展[1-2]。

AD9854是DDS集成电路中典型的代表，它拥有48位的频率控制字、12位的相位控制字和其它众多的控制能力，是DDS芯片中控制寄存器最全、对用户开放最多的一款芯片。特别是其时钟频率达

到300 MHz，具有六种工作模式，能够合成大部分常用的信号[3]。

在雷达、电子测量等领域的某些脉冲信号要求每个脉冲起始时的相位保持不变或者可控，这对传统的直接频率合成和间接频率合成技术提出了挑战，从合成理论来分析仅有直接数字频率合成能够在不额外增加系统开销的情况下实现该功能。笔者在对经典的DDS芯片AD9854深入研究后认为该芯片具备实现振荡起始相位控制的能力，并通过一定的探索和试验，用AD9854合成了振荡起始相位可控的脉冲信号。

2AD9854简介

AD9854是ANALOG DEVICE公司推出的高性能直接数字频率合成芯片，其内部集成了48位的相位累加器、可编程的时钟倍频器、反SINC滤波器、两个12位的300 MHz DAC，此外还有一个高速模拟比较器和逻辑接口电路，如图1所示[3]。

图1　AD9854的内部结构框图

AD9854功能强大、工作频率较高，芯片相应的功耗也较大，必须保证其散热良好。芯片的引脚布局十分注意数字与模拟的隔离，1—20引脚主要是并行和串行数字接口及一路数字电源，21—40引脚主要是数字控制端口和比较器的数字输出端，中间加入几路电源予以隔离，41—60引脚主要是DDS的输出，两个正交通道，每个通道有互补的两个输出端，即四个输出引脚输出信号的相位差为90度，各输出之间用电源或地线隔离，61—80引脚是时钟及相关的控制端。虽然芯片具有很好布局和抗干扰设计，电路板布局也十分重要，必须注意屏蔽、隔离及散热。

AD9854的8位并行接口具有100 MHz的速度，且读写时序与51系列单片机的总线接口兼容，能够十分方便地和单片机连接，要注意的是如果单片机采用5 V供电，建议在数据总线、地址总线和控制线上增加电平转换电路，以保证AD9854可靠地与CPU传输数据，当然整个系统全部采用3.3 V单片机及外围芯片是最佳选择[4]。

3振荡起始相位

一般情况下对于脉冲信号的振荡起始相位较少关注，但在某些特殊场合，振荡的起始相位却是非常关键的参数，需要准确地进行控制。

以脉冲雷达为例，其回波信号所包含的信息比较复杂，难以用准确的数学模型进行详尽的描述，通常认为脉冲雷达的回波信号包含三个主要的组成部分：目标回波信号、杂波信号和噪声信号，其中的杂波信号一般又分为固定杂波(固定目标回波信号)和运动杂波(运动目标回波信号)，因此，雷达回波信号一般近似地描述为：

x(t)=s(t)+n(t)+cg(t)+cm(t).

(1)

式中s(t)、n(t)、cg(t)、cm(t)分别是运动目标回波信号、噪声信号、固定目标回波信号和运动杂波信号[5]。

cg(t)在理想情况下是一等幅脉冲。

(2)

式中Agn是杂波的起伏包络；tg、τg分别是杂波回波的时延和宽度。

在回波信号的几个组成信号中，唯有固定目标回波信号由于与雷达发射天线的空间距离和方位保持不变，所以其回波信号相对于发射信号的延时及相位差在每个雷达重复周期应该保持不变，也就是说在不同的雷达重复周期，延时和相位差中的任何一个参数发生变化即意味着目标相对发射天线的位置发生变化。在模拟该回波信号时就必须保证固定目标回波信号与发射脉冲之间的延时和振荡的起始相位之差在每个雷达重复周期保持不变，如图2的固定载频矩形脉冲雷达回波信号示意图所示。

图2　固定载频矩形脉冲雷达的回波示意图

常用的振荡电路中，无论晶体管振荡电路、石英晶体振荡电路还是锁相环频率合成电路，都不具备对振荡起始相位的控制能力，即使在全数字化的直接数字频率合成器中，也没有芯片在其设计中就专门提供该功能或者在使用说明中给出实现该功能的方法。本文所完成的工作就是在成品DDS芯片中选择最有可能实现该功能的AD9854芯片，通过研究和实验找到实现式2所描述的雷达固定目标回波信号的方法。

4振荡起始相位可编程控制

4.1　实现方法

AD9854具备6种不同的工作模式，其中只有BPSK模式与相位有关，根据其说明书及所完成的试验证明AD9854的BPSK模式只能控制其输出信号的相位在当前相位的基础上跳变，也就是BPSK模式下，AD9854的相位控制寄存器的数值是在当前相位基础上的改变量，是相对值，而不是绝对值，因此，利用BPSK模式是无法实现振荡起始相位的可编程控制的。

考虑到要产生脉冲信号，确定在AD9854的单频模式开始试验。由于每个脉冲的幅度不同，选择AD9854的输出幅度控制器方式控制每个输出脉冲的幅度。AD9854的幅度控制器能方便地控制输出信号的幅度，但是通过对比相邻脉冲的振荡起始相位发现，每个脉冲的起始相位各不相同，没有固定规律。根据AD9854的内部结构可以看到，可编程的幅度控制器在相位幅度转换器之后以乘法方式实现幅度控制，也就是说即使在输出被幅度控制器控制到输出为全零时DDS的内核却是一直在工作中，所以每个输出脉冲的起始相位还是不受控制的。

考虑到信号模拟中最低的要求是DDS输出的每一个脉冲信号的起始相位能从某一个固定状态开始，因此重点从AD9854的内部结构和工作流程中寻找回到一个固定状态的方式。在AD9854向用户开放的所有资源中，主复位应该是能够将AD9854的内部各主要模块复位到某一确定状态的一个可行途径。

基于上述分析，通过编程控制AD9854先产生第一个脉冲，达到规定脉冲宽度后将主复位信号置高以复位AD9854内部的各个模块，随后再产生下一个脉冲。通过示波器观察发现，此时产生的后续脉冲是紧接着上一个脉冲的结束时的相位继续振荡的，起始相位就是前一个脉冲结束时的相位。可以认为，主复位信号达到了使AD9854的DDS内核在脉冲间歇期间停止运行的目的，但是其中的数据并未被复位。

为此在主复位以前通过并行接口将AD9854的可编程寄存器内的有关数据全部写零，然后进行复位，接着写入下一个脉冲的全部数据，尤其是相位数据，此时通过示波器可以观察到后续脉冲的振荡起始相位与相位寄存器的数据相符，达到了控制振荡起始相位的目的。

4.2　硬件电路

AD9854有并行和串行的数据接口，考虑到脉冲合成中需要大量的写入数据，建议使用并行接口，电路设计中尽可能使单片机能够控制AD9854的所有数字控制端，便于系统的功能扩充，相应的硬件电路如图3所示。

图3　CPU与AD9854的接口电路

图3中SN74LVC245用于数据总线的驱动，在数据总线上主要有AD9854和液晶显示屏，而且液晶显示屏安装于仪器面板上需要较长的连线，因此进行驱动是必须的。SN74LVC573用于锁存当前地址，其ALE信号因为LM3S811不具备MCS51的专门ALE引脚而由I/O引脚发出。

4.3　软件编程

根据4.1节所述的实现方法能够很方便地编写出实现振荡起始相位控制的单片机程序，具体细节取决于单片机的型号。建议使用汇编语言编程，使相关参数的控制准确有效。图4是模拟产生雷达中频回波信号(图2所示)时的简略程序框图。

图4　AD9854实现振荡起始相位可编程控制的程序框图

5结束语

AD9854是直接数字频率合成芯片中功能较齐全的一款经典产品，广泛应用在频率合成、信号模拟等领域，本文在对其内部结构深入研究的基础上，通过试验实现了对其输出的脉冲信号起始相位的可编程控制，并成功应用于雷达中频回波信号的模拟器中，实现了对脉冲雷达固定目标回波信号的模拟。在此基础上，结合AD9854的多种信号合成能力，能够实现对固定载频脉冲雷达、线性调频雷达以及其它不同信号形式的雷达信号的合成和模拟。以该雷达中频回波信号模拟器作为信号合成模块的雷达故障诊断系统已配备各型雷达站，同时也进一步证明了AD9854是一款十分优秀的DDS合成器芯片。

参考文献：

[1]白居宪. 直接数字频率合成[M]. 西安:交通大学出版社，2007:135-137.

[2]费元春，苏广州，米红，等. 宽带雷达信号产生技术[M]. 北京:国防工业出版社，2002:163-167.

[3]Analog Devices．CMOS 300MSPS Quadrature Complete-DDS AD9854[Z]．Analog Devices,2000.

[4]石雄，朱光喜. 基于DDS技术的自适应米波雷达自动频率控制系统[J].电子技术应用,2004(2):28-31.

[5]石雄. 基于DDS技术的雷达中频回波信号模拟器[J].武汉工业学院学报，2008(1):35-38.

Programmable control on initial phase of oscillation using AD9854

YANGPei-kai,ZHANGJing，LIUYa,SHIXiong,LILin

(School of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)

Abstract：Based on depth study of internal structure and external interface of AD9854,singlechip is applied to control its interior programmable register and related accumulator through parallel interface of AD9854, to explore feasible control method. After reiterative experiment, programmable control is achieved on initial phase of oscillation of output pulse of AS9854. This method has been applied on some radar echo signal simulator,and fulfilled fixed objective echo signal synthesizing.

Key words：direct digital frequency synthesis；oscillation starting phase；the programmable control

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目(科技A类)(JA13432);福建省自然科学 (2013J01248).

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.022 10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.017

文章编号：2095-7386(2015)02-0098-05 2095-7386(2015)02-0074-05

作者简介：王展展(1989-)，男，硕士研究生，E-mail:584158771@qq.com. 孙顺红(1984-)，女，助教，E-mail:sunshunhong@hqu.edu.cn.

收稿日期：2014-12-23. 2015-01-05.

中图分类号：TN 957.51

文献标识码：A