基于AD9854的正交掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

AD9854原理

AD9854片內(nèi)集成了48位頻率累加器、48位相位累加器、正余弦波形表、兩個(gè)12位高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制和控制電路，其能夠在單片，上完成頻率、相位、幅度的調(diào)制以及l(fā)|Q正交調(diào)制等功能。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854通過(guò)數(shù)字化編程將產(chǎn)生頻率、相位、幅度高穩(wěn)定的正弦和余弦信號(hào)，作為本振用于通信，雷達(dá)等方面。AD9854 的DDS核具有48位的頻率分辨率(在300M系統(tǒng)時(shí)鐘下，頻率分辨率可達(dá)1uHZ)。輸出17位相位截?cái)啾ＷC了良好的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。同時(shí)，AD9854內(nèi)部還含有可編程控制的時(shí)鐘乘法器，這可以使較低頻率的振蕩器通過(guò)乘法電路實(shí)現(xiàn)從4到20的整數(shù)倍頻為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，其內(nèi)部時(shí)鐘速率最大可達(dá)300MHz。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為300MHz時(shí)，輸出信號(hào)的頻率分辨率仍可達(dá)0.001Hz。它的電路結(jié)構(gòu)使得它的最大輸出頻率為150MHz， 輸出頻率調(diào)節(jié)速率達(dá)每秒100M次新頻率。輸出的正弦波信號(hào)還可以通過(guò)片內(nèi)高速比位的相位分辨率，即最高相位分辨率為360* /214。 在信號(hào)幅度控制方面，AD9854具有12位數(shù)字乘法器，提供12位的輸出幅度調(diào)整率。AD9854的300M系統(tǒng)時(shí)鐘可以通過(guò)4X和20X可編程控制電路由較低的外部基準(zhǔn)時(shí)鐘得到，降低了對(duì)外部時(shí)鐘在工作頻率方面的要求。

AD9854引腳及功能

AD9854工作過(guò)程

(1)要保證上電后復(fù)位，MASTERRESET高有效，至少持續(xù)10個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

(2)選擇參考信號(hào)輸入方式，若采用單端輸入方式，REFCLKB應(yīng)接電源或地。若采用多片9854產(chǎn)生多個(gè)相位相互關(guān)聯(lián)的正弦波，則應(yīng)該選用差分輸入模式，這樣可以減小各個(gè)DDS參考時(shí)鐘間的相位誤差。

選擇數(shù)據(jù)輸入方式，對(duì)S/PSELECT管腳置1為并行，置0為串行。我們選擇的是并行輸入方式。數(shù)據(jù)在WR信號(hào)及UPDATE信號(hào)控制下從并行輸入口寫入48位并行寄存器。

(3)AD9854具有2路正交輸出，IOUT1和IOUT11;I0UT2和I0UT22，本設(shè)計(jì)充分使用了兩組。前者只有正弦波輸出，另一路只能方波輸出。

信號(hào)的產(chǎn)生及顯示控制(MCU)

系統(tǒng)采用的單片機(jī)控制芯片是臺(tái)灣Winbond公司的W78E58芯片，它是51系列單片機(jī)兼容的微控制器，其內(nèi)部有32KB的FLASH EPROM。它的一個(gè)機(jī)器周期是4倍的振蕩周期，執(zhí)行同一條指令的時(shí)間只是普通的8051單片機(jī)的1/3，因此指令操作更加快速。本文設(shè)計(jì)中，W78E58的參考時(shí)鐘由20MHz的晶體振蕩器產(chǎn)生，同時(shí)也把它作為AD9854的輸入時(shí)鐘，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部乘法電路15倍頻后達(dá)到300MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。AD9854有10MHz串行接口和100MHz8位并行接口2種方式可以選擇，此處將S/P SELECT (Pin70)引腳接高電平，選擇并行傳輸方式。如圖2所示，W78E58的P0.0至P0.7端口與AD9854的D0至D7端口相連傳輸數(shù)據(jù)信息，P2.0至P2.5端口與A0至A5端口相連傳輸寄存器地址信息，P3.6、P3.7分別與WR、RD兩個(gè)引腳相連控制讀寫操作，由這三部分共同組成并行傳輸控制。例如，當(dāng)WR引腳置低電平時(shí)，頻率控制字通過(guò)數(shù)據(jù)端口送入I/O緩沖寄存器，再由內(nèi)部的刷新時(shí)鐘把控制字寫入指定地址的寄存器。為節(jié)省單片機(jī)I/O口，簡(jiǎn)化硬件線路，本文采用矩陣式鍵盤，并結(jié)合軟件編程，實(shí)現(xiàn)雙功能鍵。鍵盤共設(shè)有16個(gè)鍵，由P1.0~P1.3四條行線和P1.4~.P1.7四條列線構(gòu)成。其中包括數(shù)字鍵、單位鍵及功能鍵，用來(lái)對(duì)所需信號(hào)的頻率、幅度及功能進(jìn)行控制，最后輸出的信號(hào)頻率、幅度等信息通過(guò)液晶顯示屏顯示出來(lái)。顯示部分采用國(guó)顯公司的GXM1602NSL液晶模塊，它的核心是HD44780。與W78E58的數(shù)據(jù)傳輸采用8位并行傳輸，可顯示兩行共32個(gè)點(diǎn)陣字符。HD44780支持用戶自定義字符，故可以通過(guò)編程將頻率、幅度、波形等漢字及數(shù)字信息顯示出來(lái)。本文設(shè)計(jì)中還采用了通信接口(RS232)與PC機(jī)相聯(lián)， PC機(jī)的控制命令可以通過(guò)TXD (Pin10) 和RXD (Pin11) 與W78E58進(jìn)行交互，控制信號(hào)源的輸出。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在儀器的整個(gè)設(shè)計(jì)中，對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法。系統(tǒng)軟件由主監(jiān)控軟件、鍵盤顯示器管理模塊、外設(shè)中斷管理處理模塊、各功能模塊和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。上電復(fù)位后儀器首先進(jìn)入監(jiān)控主程序。它的任務(wù)是識(shí)別命令、解釋命令，并獲得完成該命令的相應(yīng)模塊的入口，起著引導(dǎo)儀器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)的軟件用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)， 相對(duì)于匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言對(duì)機(jī)器底層硬件操作較為方便，模塊化程度高，可讀性與可移植性好。

下圖對(duì)AD9854進(jìn)行初始化控制時(shí)，首先，MASTER RESET(Pin71) 腳必須置高10個(gè)系統(tǒng)周期以_上，然后對(duì)AD9854寫入控制字。一旦設(shè)定后， AD9854將保持設(shè)定狀態(tài)不變， 直到重新進(jìn)行設(shè)置。AD9854通過(guò)內(nèi)部一個(gè)地址范圍為00H~ 27H的寄存器表存儲(chǔ)有關(guān)的各種控制字和狀態(tài)字。用戶可通過(guò)I/ 0與該寄存器表進(jìn)行通信，I/O緩沖區(qū)的內(nèi)容必須在更新脈沖的作用下才能刷新到寄存器表中，這樣可以很好地達(dá)到同步。寄存器表中00H、01H和02H、03H單元分別存放14位的相位控制字1和相位控制字2，它決定了輸出信號(hào)可編程控制的相位精度即最低相位為PMN=360度/ 2“*=0.022度。

04H~09H 和0AH~0FH單元分別存放48位的頻率控制字1和頻率控制字2，它決定了輸出信號(hào)可編程控制的頻率精度即最低頻率為f MN=300X10*/ 2**=1.066X10~Hz。AD9854的五種工作模式選擇字存放在寄存器表1EH單元。當(dāng)AD9854工作在Chirp模式下時(shí)，基本編程步驟如下： (I) 將初始頻率控制字Wpc寫入48位FTWI (Frequency Tuning Word 1)中。

(2)將頻率步進(jìn)量寫入48位DFW (Delta FrequencyWord)中。(3) 將時(shí)間步進(jìn)量寫入20位RRC(RampRate Clock)中。(4)更新脈沖刷新數(shù)據(jù)。部分源程序如下：

P2=0x04; 寄存器地址為04HP0=0x2A; 輸出頻率為50MHz

P3.6=0

P3. 6=1

P2=0x1F; 寄存器地址為1FH

P0=0x86; 工作模式為011

P3.6=0

P3.6=1

。。。 *.。

P2=0x1E; 寄存器地址為1EH

P0=0x4F; 系統(tǒng)時(shí)鐘為20MHz的15倍頻即300MHz

P3.6=0

P3.6=1