本文通過C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9959頻率合成芯片的連接控制，結(jié)合少量外圍電路即構(gòu)成一個(gè)完整的低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度、高可靠性的頻率合成器。本信號(hào)源的直接頻率合成器將通過對(duì)單片機(jī)C8051F020的標(biāo)準(zhǔn)SPI端口編程控制AD9959芯片的寄存器，從而實(shí)現(xiàn)單頻點(diǎn)12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調(diào)頻3路相參信號(hào)輸出。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與功能單元介紹

　　1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)的主控芯片采用了新華龍公司的C8051F020單片機(jī)，信號(hào)產(chǎn)生芯片采用美國(guó)ADI公司的具有4路通道的DDS芯片AD9959，電源部分采用能提供5 V和3.3 V的穩(wěn)壓開關(guān)電源。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　1.2 AD9959芯片

　　AD9959是美國(guó)ADI公司最新推出的一款四通道、低功耗、高速直接數(shù)字頻率合成器，采樣頻率高達(dá)500 MSPS。該芯片內(nèi)部集成了4個(gè)DDS內(nèi)核，可對(duì)4個(gè)內(nèi)部同步輸出通道進(jìn)行獨(dú)立編程。通過1個(gè)公用系統(tǒng)時(shí)鐘在芯片內(nèi)部同步其獨(dú)立的通道，每個(gè)通道的功率小于165 mW。可以實(shí)現(xiàn)最多16級(jí)的頻率、相位和幅度調(diào)制(FSK，PSK，ASK)。通過應(yīng)用數(shù)據(jù)到配置管腳可控制調(diào)制水平。另外，也可以工作在線性掃頻、掃相或掃幅模式。應(yīng)用到雷達(dá)和測(cè)量?jī)x器中，還可以對(duì)由于模擬處理(例如濾波、放大)或者PCB布線失配而產(chǎn)生外部信號(hào)通道的不均衡進(jìn)行有效的校正。

　　該器件集成了具有突出的寬帶和窄帶SFDR特性的4路高速10位DAC。每一個(gè)通道都具有32位頻率控制字，14位相位控制字，10位輸出幅度控制字。它被廣泛地應(yīng)用在本地振蕩源、相控陣列雷達(dá)/聲納系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器/儀表、同步時(shí)鐘及RF信號(hào)源等方面。其特性如下：

　　(1)有4路帶10位DAC的DDS通道，最高取樣頻率為500 MSPS;

　　(2)各個(gè)通道都有獨(dú)立的頻率/相位/幅度控制功能;

　　(3)大于65 dB的通道隔離度;

　　(4)線性頻率/相位/幅度掃描功能;

　　(5)最高可達(dá)16級(jí)的頻率/相位/幅度調(diào)制;

　　(6)DAC既可縮放電流又可獨(dú)立編程;

　　(7)0.116 Hz或者更好的頻率調(diào)整分辨率;

　　(8)32位頻率分辨率;

　　(9)14位相位偏移分辨率;

　　(10)10位輸出幅度可縮放的分辨率;

　　(11)具有增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量的串行I/O口(SPI);

　　(12)可通過軟件/硬件控制節(jié)電模式，以降低功耗;

　　(13)雙電源供應(yīng)(DDS核1.8 V，串行I/O 3.3 V);

　　(14)內(nèi)置多器件同步功能;

　　(15)內(nèi)置時(shí)鐘倍頻鎖相環(huán)(4～20倍倍頻);

　　(16)可選擇參考時(shí)鐘源。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 程序設(shè)計(jì)流程

　　該系統(tǒng)中主要使用了帶有SPI總線的C8051F020單片機(jī)的P1和P2幾個(gè)I/O端口，它們與AD9959的連接示意圖如圖2所示。

　　在單片機(jī)編程的主函數(shù)中首先要關(guān)閉看門狗，否則每當(dāng)執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)，程序?qū)?huì)跳轉(zhuǎn)到入口點(diǎn)從頭執(zhí)行。接著初始化單片機(jī)的時(shí)鐘(使用外部高精度、高穩(wěn)定度晶振22.118 4 MHz)和I/O口配置，然后通過I/O端口對(duì)AD9959進(jìn)行初始化、選擇通道、寫入相對(duì)應(yīng)的控制字、發(fā)送I/O_UPDATE信號(hào)，輸出所要求的信號(hào)。單片機(jī)的程序流程圖如圖3所示。

　　2.2 單頻點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生

　　本系統(tǒng)要產(chǎn)生12 MHz和48 MHz的正弦波信號(hào)，根據(jù)輸出頻率的計(jì)算公式：f=(FTW·fs)/232，可以算出頻率控制字FTW的值為FTW=(fo·232)/fs，當(dāng)fs=500 MHz時(shí)，輸出12 MHz頻率對(duì)應(yīng)的頻率控制字為：FTW=0624DD2F;48 MHz對(duì)應(yīng)的頻率控制字為：FTW=189374BC。然后只需要將控制字寫到AD9995的CTW0寄存器中即可。下面是具體的操作過程：

　　(1)AD9959初始化，使其內(nèi)部寄存器處于初始狀態(tài)，即工作模式為單頻模式，頻率控制字和相位控制字均置0，Single-Bit串行數(shù)據(jù)傳輸。

　　(2)設(shè)置系統(tǒng)參考頻率為100 MHz，倍頻為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，發(fā)送通道0所需要的頻率控制字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，發(fā)送通道1所需要的頻率控制字189374BC到I/O Buffer。

　　(7)發(fā)送I/O_UPDATE信號(hào)，將I/O Buffer中的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部寄存器(Active Register)。

　　輸出信號(hào)的波形可以在測(cè)試結(jié)果與分析中的圖4和圖5看到。

　　2.3 線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生

　　AD9959沒有直接產(chǎn)生線性調(diào)頻的功能模式，但是可以通過間接的方法實(shí)現(xiàn)此功能，其原理與能產(chǎn)生線性調(diào)頻的AD9854一樣，都是在線性掃頻的過程中改變掃頻步進(jìn)控制字(RDW/FDW)和掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR/FSRR)。所以只有在AD9959掃頻的過程中根據(jù)實(shí)際需要不停地更改RDW/FDW和RSRR/FSRR，就可以得到線性調(diào)頻信號(hào)。

　　對(duì)于線性調(diào)頻工作狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，還有一點(diǎn)需要說明。由于線性調(diào)頻信號(hào)是有時(shí)寬限制的，因此在輸出線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)候，需要外部定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)寬的控制。

　　具體操作為：先把線性掃頻模式配置為非駐留線性掃頻模式，然后指定起始頻率、結(jié)束頻率、上升掃頻步進(jìn)控制字(RDW)和上升掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR)，最后利用單片機(jī)的定時(shí)器精確定時(shí)控制P2管腳，以對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行精確控制。

　　本系統(tǒng)需要產(chǎn)生帶寬30 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，在這里將中心頻率設(shè)為50 MHz，故起始頻率設(shè)為35 MHz，結(jié)束頻率設(shè)為65 MHz，上升掃頻步進(jìn)頻率設(shè)為1 kHz，上升掃頻駐留時(shí)間設(shè)為最小值8 ns，然后給系統(tǒng)送一個(gè)I/O_UPDATE信號(hào)，把將寫入到寄存器的值導(dǎo)入到DDS內(nèi)核中。

　　當(dāng)P2由低電平變到高電平時(shí)(具有I/O_UPDATE功能)，AD9959就開始從起始頻率掃向結(jié)束頻率，每過8 ns芯片自動(dòng)將RDW的值送到頻率累加器(不是相位累加器)，以線性改變輸出的頻率值，當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)束頻率時(shí)，DDS芯片會(huì)自動(dòng)返回到起始頻率。此過程的時(shí)間總共為240μs(即時(shí)寬為240μs)，定時(shí)器精確定時(shí)240μs后，P2取反，周期變化，這樣就可以周期地產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)了，其實(shí)際輸出波形如圖6所示。

　　3 測(cè)試結(jié)果與分析

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最終輸出了單頻點(diǎn)的12 MHz，48 MHz信號(hào)和帶寬為30 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)。下面是測(cè)試所得圖片。

　　圖4顯示了12 MHz信號(hào)輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實(shí)測(cè)輸出頻率為11.9986MHz，非常接近12MHz，波動(dòng)范圍為11.914 MHz到12.073 MHz，輸出頻率穩(wěn)定。

　　圖5顯示了48 MHz信號(hào)輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實(shí)測(cè)輸出頻率為48.017 21 MHz，與所要求的輸出頻率相差不大，輸出頻率穩(wěn)定。

　　圖6顯示了帶寬為30 MHz線性調(diào)頻信號(hào)的輸出波形。可以看出，輸出信號(hào)的波形幅度穩(wěn)定，相位連續(xù)，失真度小。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　DDS作為一種成熟的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)就是在DDS芯片AD9959的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了2 kHz～200 MHz頻段任意頻點(diǎn)的正弦波信號(hào)輸出以及帶寬為30 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)輸出，AD9959有4個(gè)輸出通道，通道之間隔離度均值達(dá)到了74.2 dBm，具有良好的隔離度，其輸出信號(hào)經(jīng)示波器、頻譜儀分析穩(wěn)定性好，頻率相位分辨率高，相噪低，能滿足無(wú)源雷達(dá)信號(hào)源以及其他設(shè)備信號(hào)源的要求，具有很好.的應(yīng)用價(jià)值。