陳少雄 林盛鑫 陳冰兒

(東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東東莞 523808)

信號源設(shè)備是電子技術(shù)領(lǐng)域一種常用的儀器，在雷達(dá)、通信、電子測控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著各行業(yè)對信號源性能要求的不斷提高，需要達(dá)到的頻率范圍越來越廣，并需要有良好的精度和穩(wěn)定度，傳統(tǒng)的信號源已經(jīng)無法滿足當(dāng)前電子技術(shù)領(lǐng)域研究的需求，針對以上需求，頻率合成技術(shù)逐步形成[2]。

現(xiàn)有大多數(shù)的信號發(fā)生器是采用直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)技術(shù)，支持產(chǎn)生正弦波頻率僅有幾百千赫。利用DDS芯片AD9912產(chǎn)生頻率范圍為1 Hz～400 MHz信號源，支持點(diǎn)頻和掃頻模式，最小頻率分辨率可達(dá)到1 Hz，最小時(shí)間間隔為1 ms，系統(tǒng)支持調(diào)幅、調(diào)頻，分辨率調(diào)節(jié)。DDS技術(shù)是第三代頻率合成技術(shù)，具有很多頻率分辨率高、相位噪聲低、科技小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 直接頻率合成技術(shù)

1.1 DDS技術(shù)的基本原理及結(jié)構(gòu)

如圖1所示，DDS主要是由是相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成。由奈奎斯特采樣定律可知，從正弦信號的相位出發(fā)，經(jīng)過抽樣、量化、編碼等計(jì)算過程，得到一個(gè)離散的正弦函數(shù)表，存到波形存儲器ROM中。DDS內(nèi)部均為以系統(tǒng)參考時(shí)鐘為基準(zhǔn)同步工作，相位累加器根據(jù)頻率控制字在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位取樣，每次取樣的值會送入波形存儲器ROM中進(jìn)行尋址，得到該處相位對應(yīng)的正弦波的賦值，每個(gè)正弦波賦值連接起來得到一個(gè)模擬的階梯波，最后將階梯波送入低通濾波器得到所需頻率的正弦波[4]。

圖1 DDS的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 DDS的數(shù)學(xué)原理

理想正弦波信號S(t)可表示為

S(t)=Asin(2πf0t+φ) ，

(1)

式(1)說明理想正弦信號源的頻譜在幅度和初始相位不變的情況下是一條關(guān)于f0的譜線。為簡化分析，令A(yù)=1,φ=0，即

S(t)=sin(2πf0t)=sinθ(t)，

(2)

對式(2)的信號進(jìn)行采樣，采樣周期為Tc，即離散的波形序列為

S(n)=sin(2πf0n)，

(3)

由式(3)可知，連續(xù)兩次采樣之間相位增量為

(4)

(5)

相應(yīng)的模擬信號為

(6)

(7)

由式(7)分析可知，通過改變頻率控制字FTW就可以改變輸出頻率，DDS輸出的分辨率為

(8)

1.3 DDS技術(shù)的特點(diǎn)

直接頻率合成技術(shù)相比于直接頻率合成技術(shù)和間接頻率合成技術(shù)有一定的優(yōu)勢。

1.3.1 分辨率較高

由式(8)可知，最小分辨率與相位累加器的位數(shù)N和系統(tǒng)時(shí)鐘有關(guān)?？梢赃x擇相位累加器位數(shù)較高的DDS芯片來實(shí)現(xiàn)生成具有較高頻率分辨率,而生成波形的相位通常與DDS芯片中的相位累加器的位數(shù)有關(guān)[6]。ADI公司的AD9912芯片內(nèi)置48位的相位累加器，一個(gè)14位的相位寄存器，在系統(tǒng)的參考時(shí)鐘為1 GHz的前提下，該DDS的分辨率為

其相位分辨率為

可以看出，DDS的最小頻率分辨率可以達(dá)到uHz級別，最小相位分辨率也很高，這是間接頻率合成技術(shù)和直接模擬頻率合成技術(shù)所無法達(dá)到的。

1.3.2 輸出頻率范圍寬

DDS的輸出頻點(diǎn)數(shù)量與N有關(guān)，而當(dāng)FTW=0時(shí)，fout=0 Hz；

1.3.3 頻率切換速度快

如圖1所示，在DDS系統(tǒng)中FTW的傳遞速度只與系統(tǒng)采樣頻率fc和DDS系統(tǒng)的長度有關(guān)，與頻率分辨率無關(guān)，如果低通濾波器的頻率響應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，DDS的切換速度可以達(dá)到微秒級別。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AD9912模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，時(shí)鐘輸入端采用低頻率25 MHz晶體震蕩器作為輸入基準(zhǔn)信號，使用AD9912內(nèi)部鎖相環(huán)電路，需通過編程控制寄存器0x0020和0x0022，設(shè)置反饋分頻器的分頻模數(shù)，得到DDS進(jìn)行線性相位取樣的系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖2 AD9912模塊電路設(shè)計(jì)

內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)電路集成分頻器、鑒相器、壓控振蕩器[8]，故需設(shè)計(jì)外接的環(huán)路濾波器，而外部環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)會影響鎖相環(huán)的帶寬，壓控振蕩器的名義增益是800 MHz/V，環(huán)路帶寬大約在1.6 MHz，電荷泵電流設(shè)在250 μA，設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器由C55、C56、R5構(gòu)成。

由于AD9912的輸出為差分信號，選用ADT1-1WT作為巴倫電路，進(jìn)行雙端平衡到非平衡信號的轉(zhuǎn)換。

2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)

DDS輸出的雜散主要來自DAC非理想特性、分辨率較低等原因，需設(shè)計(jì)低通濾波器對其進(jìn)行濾除[9]。濾波器的類型主要分為有源和無源濾波器，有源濾波器中通常有運(yùn)算放大器等有源器件，由于運(yùn)算放大器的存在，會使得濾波的頻帶寬度受到限制，不符合設(shè)計(jì)的要求。無源濾波器只含有電容、電感、電阻三種元器件，不需要電源供電即可工作，且在高頻工作時(shí)頻帶較寬[10]。

通過對幾種類型的低通濾波器比較可知，巴特沃思濾波器的過渡帶較為平緩，切比雪夫?yàn)V波器的瞬態(tài)特性較差，而對于給定的通帶紋波要求和階數(shù)要求，橢圓濾波器的過渡帶很窄，并且下降迅速。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，設(shè)計(jì)一個(gè)7階的橢圓濾波器，截止頻率為440 MHz，通帶紋<0.1 dB，帶外最小衰減為60 dB。

圖3 七階橢圓低通濾波器

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 OLED屏幕驅(qū)動(dòng)

SSD1306點(diǎn)陣屏的分辨率為128*64，每頁含有128 byte，共有8頁。BS0、BS1、BS2用于選擇通信協(xié)議，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)OLED屏幕使用的是SPI協(xié)議，因此BS0=BS1=BS2=0。

OLED屏幕主要實(shí)現(xiàn)在上電時(shí)屏幕顯示初始化信息，“Singal”“Generator”“Freq：1 Hz～450 MHz”“AD9912-1GHz-V1”。延時(shí)后將當(dāng)前頁面刷新，將初始頻率、終止頻率、掃頻時(shí)間間隔、掃頻步長、幅值信息等顯示到新的頁面，根據(jù)按鍵控制的信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的操作。

3.2 AD9912驅(qū)動(dòng)

AD9912采用串行控制端口靈活的SPI協(xié)議，可配置為一個(gè)雙向的I/O引腳或兩個(gè)單向的I/O引腳，所有的串口操作都依賴于DAC系統(tǒng)時(shí)鐘的存在。系統(tǒng)中采用3線制SPI模式，SCLK為串行移位時(shí)鐘，SDIO作為數(shù)據(jù)雙向輸入輸出引腳，CSB為片選信號。

設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用內(nèi)部RC振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘，寫操作時(shí)序如圖4所示R/表明該指令是讀或?qū)?，?shù)據(jù)[W1:W0]指明傳輸數(shù)據(jù)的長度，R單片機(jī)將CS拉低使能AD9912，在時(shí)鐘上升沿來時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，從最高位起，依次向下傳輸，直到最低為LSB發(fā)送完成。

圖4 AD9912寫1字節(jié)數(shù)據(jù)

如圖5所示，在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期，單片機(jī)首先拉低片選信號，將CS置低，待發(fā)送的數(shù)據(jù)為SendValue，其位數(shù)為24。待檢測到讀寫位為1時(shí)，在每次數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿寫入，將數(shù)據(jù)的第i位發(fā)送到端口緩存器，同時(shí)左移1位，i加1，當(dāng)檢測到i不小于24時(shí)，表示當(dāng)前寄存器的值全部寫入AD9912，此時(shí)數(shù)據(jù)保存在串行端口緩存器，當(dāng)更新時(shí)鐘IO_UPDATA到來時(shí)，將端口緩存器的置輸入到寄存器中。

圖5 寫操作數(shù)據(jù)周期程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

AD9912模塊的輸出焊接了SMA接口，需用測試儀器示波器、頻譜儀及萬用表。樣機(jī)輸出端的SMA接口與示波器的通道1通過同軸電纜相連，用萬用表檢查5 V、3 V、1.8 V處的電壓是否正常。圖6為測試波形。

圖6 掃頻輸出

相位噪聲是將信號對時(shí)序的變化在頻率域顯示出來，是描述信號源好壞的重要指標(biāo)之一。如果一個(gè)信號沒有相位噪聲，那么該信號的功率都集中在f=f0處。相位噪聲一般是指在某一個(gè)給定的偏移頻率處的dBc/Hz。一般都是將信號源的輸出與頻譜分析儀相連。測試使用的是RIGOL的頻譜分析儀，使用頻譜儀的GTSA模式，使用Trace功能，將分辨率帶寬RBW(Resolution Bandwith)設(shè)置為100 kHz，在樣機(jī)的點(diǎn)頻模式下對信號的噪聲進(jìn)行測量。

頻譜儀上所測量數(shù)值是在等效帶寬內(nèi)的功率電平，需將該數(shù)據(jù)根據(jù)頻譜儀所設(shè)定的RBW轉(zhuǎn)化為1Hz的單位功率帶寬，計(jì)算過程為

則根據(jù)相位噪聲的計(jì)算公式可得

(9)

由圖7、圖8計(jì)算可得，當(dāng)200 MHz，頻偏為100 kHz時(shí)，相位噪聲為L(100 kHz) = -10.14-50=-60.14(dBc/Hz);當(dāng)100 MHz，頻偏為1 MHz時(shí)，相位噪聲為L(1 MHz)=-43.02-50 =-93.02(dBc/Hz)。

圖7 100 MHz頻偏1 MHz

圖8 200 MHz頻偏100 kHz

5 結(jié)語

利用集成的DDS芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)多功能低相噪的信號源，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻及掃頻的功能，調(diào)幅、調(diào)節(jié)分辨率和掃頻時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)1Hz～400MHz寬范圍的信號輸出，利用STC單片機(jī)作為微處理器進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。結(jié)合DDS技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DDS多功能信號源，控制方便、便于觀察，產(chǎn)生的正弦波信號波形光滑、相位噪聲低，可通過進(jìn)一步提高頻率和幅度，加入調(diào)相功能，應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備中。