基于AD9854的信号源设计∗

2018-09-27王浩军

舰船电子工程 2018年9期

王浩军

（中国空空导弹研究院洛阳 471009）

1 引言

在现代通信系统、电子对抗及各种电子测量技术中，一个高精度、频率可调的信号源是很多电子设备和系统实现高性能的关键。直接数字合成技术（Direct Digital Synthesis，DDS）将数字处理技术引入信号合成领域，单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。由于DDS具有超宽的相对带宽，超高的捷变速度，超细的分辨率，以及相位的连续性，可以输出宽带的正交信号，可编程等优点，DDS技术得到了飞速发展。

2 DDS工作原理

2.1 DDS技术

DDS技术是根据奈奎斯特取样定律，从连续信号的相位ϕ出发，将一个正弦信号取样、编码、量化，形成一个正弦函数表，存在EPROM中。合成时，通过改变相位累加器的频率字来改变相位增量。相位增量的不同将导致一个周期内的取样点数的不同。在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来实现频率的改变。

图1 DDS工作原理框图

图1是DDS的基本原理图。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个N位的加法器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟fc，相位寄存器以步长M增加，与频率控制字相加。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表上。正弦查询表本身是一个存储器，用于存放以相位序列码为地址，该地址存放相位序列码所对应的幅度序列码。相位累加器的字长越大，存储量就越大。为了解决存储量问题，正弦查询表中只存储1∕4周期正弦波数字幅度信息，其余3∕4的数据量通过求补电路来完成。每个地址对应正弦波1∕4周期范围的一个相位点。数∕模转换器（DAC）将幅度序列码转换成阶梯波。滤波器将阶梯波转换为正弦波。时钟用来控制采样的时间间隔，DDS频率分辨力取决于相位累加器的字长和时钟频率。

2.2 AD9854芯片结构及工作模式

AD9854是美国AD公司采用先进的DDS工艺生产的一种高度集成芯片。它内部集成了48位频率累加器、48位相位累加器、正余弦波形表、两个12位高速、高性能正交DAC以及调制和控制电路，能够在单片上完成频率调制、相位调制、幅度调制和IQ正交调制等多种功能。当输入一个准确的参考频率，AD9854就产生一个高稳定的频率、相位、幅度可编程调制的正弦和余弦输出。AD9854的高速DDS内核具有48位频率分辨力，如果系统时钟为300MHz，则可分辨最小频率为1μHz。相位截断到17位保证了很好的无杂散动态范围（SFDR）指标。同时，AD9854内部含有可编程的4～20倍参考时钟乘法器电路，能够从一个很低的外部参考时钟频率产生一个内部的300M系统时钟，其内部时钟速度最大可达300MHz。直接的300M时钟也可以单端或差分输入。AD9854允许输出的最高频率为150MHz，而数字调制输出频率可达100MHz。

AD9854有五种可编程的工作模式，分别为Single-Tone（Mode 000）、FSK（Mode 001）、Ramped FSK（Mode 010）、Chirp（Mode 011）和 BPSK（Mode 100），模式选择可在控制寄存器里进行修改。这五种模式中，Single-Tone（单频）模式是最灵活的一种，也是主复位时被确定的默认模式。用户复位后的默认值设置芯片输出0Hz，0相位信号，在I、Q通道输出的是直流信号。当对频率寄存器编程时，输入频率控制字K后，芯片的输出信号从直流跃变到用户定义输出频率。频率控制字K与输出信号的关系为

式中，N为相位累加器的位数（本器件48位），fc为时钟频率。

通过该模式可以根据需要任意设定输出信号的频率、幅度和相位等特性。

第二种模式是无斜率FSK（模式001），输出的DDS频率是一个选择存放在频率寄存器1和2的频率控制字K的函数，输出取决于29脚逻辑电平的高低。第三种模式是斜率FSK（模式010），输出频率从F1到F2不是直接变化，而是通过扫频和斜率形成。第四种模式是脉冲调频（模式011），频率可以是线性或非线性变化输出。第五种模式是数字调相BPSK，

3 系统设计

本文设计的信号源采用DDS技术，结合单片机控制，实现正弦波、方波、三角波、点频、扫频、跳频等功能。系统组成结构如图2所示，主要包括单片机控制模块、显示模块、数字合成模块、滤波与放大模块。

图2 系统组成框图

3.1 信号的产生及控制

系统采用的单片机是Atmel公司的AT89C51，它的19脚接外部20MHz晶振产生的时钟，同时也作为AD9854的输入时钟，再经过内部时钟乘法器15倍频得到300MHz的系统时钟。本设计采用AD9854的单频模式，将 S∕P SELECT（Pin 70）引脚接高电平，选择100MHz8位并行传输模式。AT89C51的P0.0至P0.7端口与AD9854的D0至D7端口相连传输数据信息，P2.0至P2.5端口端口与A0至A5端口相连传输寄存器地址信息，P3.6、P3.7分别与WR、RD两个引脚相连控制读写操作，由这三个部分共同组成并行传输控制。

3.2 输出频率、幅度与相位控制

AD9854内置一个地址范围为00H～27H的寄存器表，分成11组，有7组寄存器存放关于输出信号频率、幅度、相位的数据。寄存器表中00H，01H和02H，03H单元分别为相位寄存器1和相位寄存器2，存放14位的相位控制字1和相位控制字2。单频工作时，将14位相位控制字分2个时钟周期写入相位寄存器1，再更新脉冲，信号就以新的相位输出。

寄存器表中04H～09H和0AH～0FH单元分别为频率寄存器1和频率寄存器2，存放48位的频率控制字1和频率控制字2。单频工作时，将48位频率控制字分6个时钟周期写入频率寄存器1，再更新脉冲，信号就以新的频率输出。

寄存器表中21H，22H和23H，24H单元别为正弦幅度寄存器和余弦幅度寄存器，存放12位的幅度控制字1和幅度控制字2。单频工作时，将12位幅度控制字分2个时钟周期写入幅度寄存器1，再更新脉冲，信号就以新的幅度输出。