基于AD9854的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　1、AD9854介紹

　　AD9854數(shù)字合成器是高集成度的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號，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了良好的無雜散動態(tài)范圍指標(biāo)。AD9854允許輸出的信號頻率高達(dá)150MHZ，而數(shù)字調(diào)制輸出頻率可達(dá)100MHZ。通過內(nèi)部高速比較器正弦波轉(zhuǎn)換為方波輸出，可用作方便的時(shí)鐘發(fā)生器。

　　器件有兩個(gè)14位相位寄存器和一個(gè)用作BPSK操作的引腳。對于高階的PSK調(diào)制，可通過I/O接口改變相位控制字實(shí)現(xiàn)。具有改進(jìn)DDS結(jié)構(gòu)的12位I和Q通道D/A轉(zhuǎn)換器可以提供較大的帶寬并有較好的窄帶無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。如果不使用Q通道的正交功能，它還可以通過配置，由用戶編程控制D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置高速比較器時(shí)，12位D/A輸出的方波可以用來做時(shí)鐘發(fā)生器。它還有兩個(gè)12位數(shù)字正交可編程幅度調(diào)制器，和通斷整形鍵控功能，并有一個(gè)非常好的可控方波輸出。同時(shí)脈沖調(diào)制功能在寬帶掃頻中也有重要應(yīng)用。

　　AD9854的300M系統(tǒng)時(shí)鐘可以通過4X和20X可編程控制電路由較低的外部基準(zhǔn)時(shí)鐘得到也可以通過單端或差分輸入。AD9854還有單腳輸入的常規(guī)FSK和改進(jìn)的斜率FSK輸出。AD9854采用先進(jìn)的0.35微米COMS工藝在3.3V單電源供電的情況下提供強(qiáng)大的功能。

　　2、AD9854工作原理

　　2.1、DDS技術(shù)

　　AD9854中使用的DDS技術(shù)

　　是根據(jù)奈奎斯特采樣定律，從連續(xù)信號的相位出發(fā)將一個(gè)正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個(gè)正弦函數(shù)表，存于EPROM中；合成時(shí)，通過改變相位累加器的頻率控制字來改變相位增量。相位增量不同，一個(gè)正弦周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)不同。在

　　時(shí)鐘頻率即采樣頻率不變的情況下，通過相位的改變來實(shí)現(xiàn)頻率的改變，計(jì)算公式為

　　將這種變化的相位/幅值量化的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換即可得到合成的相位變化的模擬信號頻率。

　　2.2、AD9854芯片結(jié)構(gòu)及工作模式

　　AD9854是美國AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的電路器件。它內(nèi)部集成了48Bit頻率累加器、48Bit相位累加器、正余弦波形表、高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制和控制電路，能夠在單片上完成頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制和IQ正交調(diào)制等多種功能。當(dāng)輸入一個(gè)準(zhǔn)確的參考頻率，AD9854就產(chǎn)生一個(gè)高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程調(diào)制的正弦和余弦信號，作為本機(jī)振蕩器用于通信、雷達(dá)等方面。AD9854的DDS內(nèi)核具有48Bit的頻率分辨率，相位截?cái)?7Bit保證了優(yōu)良的無雜散動態(tài)比（SFDR）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，這可以使用戶采用相對較低頻率的振蕩器通過乘法電路實(shí)現(xiàn)從4到20的整數(shù)倍頻成為系統(tǒng)時(shí)鐘信號，其內(nèi)部時(shí)鐘速率最大可達(dá)300MHz。

　　AD9854有五種工作模式，分別為Single－Tone（Mode 000）、FSK（Mode 001）、Ramped FSK（Mode 010）、Chirp（Mode 011）和BPSK（Mode 100），模式選擇可在控制寄存器里進(jìn)行修改。在這五種模式中，Single－Tone模式是最為靈活的一種，也是主復(fù)位后的默認(rèn)模式。通過該模式可以根據(jù)需要任意設(shè)定輸出信號的頻率、幅度和相位等特性。在FSK模式下，其輸出信號的頻率可根據(jù)引腳P29的電平高低在頻率控制字F1和F2之間選擇，而其相位則由相位控制字P1決定，頻率跳變時(shí)相位保持連續(xù)。

　　Ramped FSK模式與FSK的不同之處在于：F1和F2分別存儲低頻率和高頻率，輸出從F1到F2掃描，掃描間隔和速度可以控制，控制寄存器中既可提供單獨(dú)控制位以實(shí)現(xiàn)自動三角形掃頻過程，也可改變掃頻速度以實(shí)現(xiàn)非線性掃頻。Chirp模式是在指定的頻率范圍和頻率精度上，頻率可以是線性或非線性變化輸出，而且掃頻方向可控。與Ramped FSK模式相比，該模式需要用戶自己通過“HOLD”（P29高電平）控制停止頻率點(diǎn)，同時(shí)控制停止后的狀態(tài)。BPSK模式的工作方式幾乎和FSK完全相同，只是BPSK模式將頻率F1和F2之間的切換變成了相位P1和P2之間的切換，引腳P29低電平時(shí)選擇P1，高電平時(shí)選擇P2。此外，還要通過頻率寄存器對輸出信號的頻率進(jìn)行控制。

　　3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器采用DDS技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波、點(diǎn)頻、掃頻、跳頻等功能，以及AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK等調(diào)制功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有單片機(jī)控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊及功放模塊。

　　3.1、信號的產(chǎn)生及顯示控制

　　系統(tǒng)采用的單片機(jī)控制芯片是***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 EEPROM，用戶編制的程序及需要顯示的英文字母、 數(shù)字、漢字、曲線和圖形都可以存儲在里面，免去了擴(kuò)展外部存儲器的麻煩，使得以W78E58單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)電路更簡單。而且它的一個(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（Pin 70）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，用來對所需信號的頻率、幅度及功能進(jìn)行控制，最后輸出的信號 頻率、幅度等信息通過液晶顯示屏顯示出來。顯示部分采用國顯公司的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，故可以通過編程將頻率、幅度、波形等漢字及數(shù)字信息顯示出來。

　　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TXD（Pin10）和RXD（Pin11）與W78E58進(jìn)行交互，控制信號源的輸出。

　　3.2、信號的處理

　　根據(jù)DDS合成的頻譜分析，由于存在相位截?cái)嗪虳/A轉(zhuǎn)換，輸出信號含有高次諧波分量干擾。尤其是輸出信號頻率越高，諧波畸變越大，本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器輸出頻率最高達(dá)100MHz，故需進(jìn)行更有效的濾波處理。本設(shè)計(jì)中采用的小波分析能同時(shí)利用信號與噪聲在時(shí)域和頻域內(nèi)的差別， 實(shí)現(xiàn)更為有效的信噪分離， 從而獲得較為理想的除噪效果。濾除高次諧波時(shí)，利用3σ準(zhǔn)則

　　確定每層小波分解系數(shù)的閾值。3σ準(zhǔn)則通常用于測量誤差的處理，主要功能是挑出測量誤差中的粗大誤差?；舅枷胧牵河捎陔S機(jī)誤差是服從于正態(tài)分布， 則誤差的絕對值主要集中在均值（0）附近。凡所測數(shù)據(jù)大于3σ的則認(rèn)為是粗大誤差，予以剔除。具體算法為：1）計(jì)算各層細(xì)節(jié)系數(shù)的均方值σ; 2）將相應(yīng)層的小波變換系數(shù)中絕對值大于3σ的系數(shù)置為0，其他保持不變; 3）返回1）重新計(jì)算σ的值，繼續(xù)比較，如果小波變換系數(shù)中仍然有大于3σ的值存在，則循環(huán)執(zhí)行1）、2），直到該層所有小波變換系數(shù)都小于該次求得的3σ。此時(shí)的3σ就是該層小波分解系數(shù)去噪閾值。處理后的系數(shù)再進(jìn)行小波反變換，即得到預(yù)期的波形。把濾波后的I和Q通過VINP（Pin42）、VINN（Pin43）腳輸入，經(jīng)過高速比較器，即可得到方波信號，方波信號經(jīng)過簡單的變換，可得到三角波、鋸齒波等。

　　4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在儀器的整個(gè)設(shè)計(jì)中，對系統(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語言設(shè)計(jì)，相對于匯編語言，C語言對機(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。

　　主程序框圖如圖3所示。對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通過內(nèi)部一個(gè)地址范圍為00H～27H的寄存器表存儲有關(guān)的各種控制字和狀態(tài)字。用戶可通過I／O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

　　5、總結(jié)

　　本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器采用DDS芯片AD9854，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全。不僅具有AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK調(diào)制功能，還有點(diǎn)頻、掃頻和跳頻等功能。經(jīng)過實(shí)際測試，其分辨率、信噪比和幅度控制達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，輸出最高頻率達(dá)到了100MHz，頻率分辨率達(dá)到1μHz，抗干擾能力很強(qiáng)，滿足實(shí)驗(yàn)室和科研使用的要求。