基于STM32的雙路信號(hào)源及配置平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著在雷達(dá)探測(cè)、儀表測(cè)量、化學(xué)分析等領(lǐng)域研究的不斷深入，不僅要求定性的完成目標(biāo)檢測(cè)，更加需要往高精度、高分辨率成像的方向發(fā)展。一方面，產(chǎn)生頻率、幅度靈活可控，尤其是低相位噪聲、低雜散的頻率源對(duì)許多儀器設(shè)備起著關(guān)鍵作用。另一方面，電子元器件實(shí)際性能參數(shù)并非理想以及來(lái)存在自外部?jī)?nèi)部的干擾，大量的誤差因素會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。雙路參數(shù)可調(diào)的信號(hào)源可有效地對(duì)系統(tǒng)誤差、信號(hào)通道間不平衡進(jìn)行較調(diào)，并且可以產(chǎn)生嚴(yán)格正交或相關(guān)的信號(hào)，這在弱信號(hào)檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。為此本文采用雙通道DDS方法，以STM32為控制器，完成了一種高分辨率靈活可調(diào)的雙路信號(hào)源電路設(shè)計(jì)。

1 DDS原理及系統(tǒng)方案

1.1 DDS工作原理

直接數(shù)字頻率合成(DDS)是一種以一個(gè)固定頻率的精確時(shí)鐘源為參考，使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的輸出信號(hào)的技術(shù)。本質(zhì)上，DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)是通過(guò)可編程的二進(jìn)制控制字所設(shè)置的尺度因子對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行“分頻”?？刂谱滞ǔ?4-48位長(zhǎng)，使DDS實(shí)現(xiàn)卓越的輸出頻率分辨率。直接數(shù)字頻率合成器可以通過(guò)精密參考時(shí)鐘，地址計(jì)數(shù)器，可編程的只讀存儲(chǔ)器(PROM)和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

 

圖1 DDS基本結(jié)構(gòu)

通過(guò)在數(shù)字信號(hào)鏈路上引入相位累加功能，使這種架構(gòu)成為一個(gè)數(shù)控振蕩器，同時(shí)也是高度靈活DDS器件的核心。如圖2所示，在正弦查找表之前用N-bit可變模的計(jì)數(shù)器和相位寄存器來(lái)替換地址計(jì)數(shù)器，形成一種具有“相位輪”的DDS結(jié)構(gòu)，“相位輪”上的每一點(diǎn)與恰好與正弦波周期波形上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

 

 

圖2 可變頻DDS結(jié)構(gòu)與數(shù)字相位輪

DDS的輸出頻率為：

 

 

其中，fout為輸出頻率，M為二進(jìn)制控制字，fc為參考時(shí)鐘源，N為相位累加器的位寬(決定頻率分辨率)。

DDS發(fā)展趨勢(shì)是功能集成，在單芯片上增加數(shù)模模塊實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。這些模塊主要有：

1)可編程的輸入時(shí)鐘倍頻模塊。

2)可編程幅度，相位控制模塊。

3)多波形產(chǎn)生控制模塊。

4)各種調(diào)制及掃描模塊。

1.2 系統(tǒng)方案

整個(gè)信號(hào)源系統(tǒng)主要由STM32控制器、AD9958、輸出電路、濾波電路、外圍電路和上位機(jī)配置軟件等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

 

 

圖3 系統(tǒng)方案框圖

上位機(jī)控制軟件將需要配置(或讀取)的參數(shù)以命令的方式發(fā)送到控制器，控制器解析命令后完成對(duì)芯片的配置或讀取相應(yīng)的參數(shù)回發(fā)到上位機(jī)。系統(tǒng)采用雙通道DDS器件AD9958為頻率發(fā)生器，該器件由兩個(gè)DDS內(nèi)核構(gòu)成，頻率、幅度、相位控制字位寬分別為32bit、10bit、14bit，可滿(mǎn)足高分辨率信號(hào)需求。每個(gè)通道可提供獨(dú)立的頻率、幅度和相位控制，具有卓越的通道隔離度(大于72dB)。由于兩個(gè)通道采用相同系統(tǒng)參考時(shí)鐘，因此兩個(gè)通道間具有內(nèi)在的同步性，通過(guò)菊花鏈連接方式可實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件間同步。AD9958另外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，在具有多通道DDS器件中，其功耗是最低的。通過(guò)外部控制引腳(PWR_DWN_CTL)和內(nèi)部可配置寄存器FR1[7:6]、CFR[7:6]，實(shí)現(xiàn)多種低功耗工作模式。

2 濾波器及AD9958輸出電路設(shè)計(jì)

2.1 LC橢圓低通濾波器的設(shè)計(jì)

DDS數(shù)字式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也帶來(lái)了輸出雜散的問(wèn)題。雜散的來(lái)源有：

1)DAC輸出非理想。

2)參考時(shí)鐘。

3)幅度量化誤差。

4)相位截?cái)唷?br />
相位截?cái)嚯s散以及與相位—幅度轉(zhuǎn)換過(guò)程相關(guān)的雜散是DDS設(shè)計(jì)中的有限相位和幅度分辨率造成的結(jié)果，對(duì)于高性能DDS可以忽略，因而雜散的主要來(lái)源是DAC非理想和參考時(shí)鐘。其中DAC輸出功率與量化噪聲比可用下式計(jì)算：

 

 

式中SQR為信噪比，B為DAC分辨率位寬，F(xiàn)FS為DAC輸出滿(mǎn)量程分?jǐn)?shù)(常見(jiàn)值為1/2,1/4,1/8/,1/16)。

在時(shí)鐘為300MHz，輸出為80MHz時(shí)，DAC采樣輸出幅度譜如圖4所示。

 

 

圖4 采樣輸出譜分析

對(duì)AD9958器件模型進(jìn)行仿真分析，在無(wú)輸出濾波器條件下得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

 

 

圖5 直接輸出頻譜及時(shí)域波形

圖中PPT表示相位截?cái)嚯s散，DAC Images表示輸出鏡像頻率造成的雜散，DH2、DH3分別是二、三次諧波引起雜散，可見(jiàn)雜散分量主要由鏡像頻率分量引起。雜散數(shù)據(jù)表如表1所示。

 

 

從數(shù)據(jù)表中可知相位截?cái)?PPT)雜散為(-70.017dBc)，可以忽略。在DAC輸出插入低通濾波器后，AD9958輸出會(huì)明顯改善，輸出譜及波形如圖6所示。

 

 

圖6 濾波后輸出頻譜及時(shí)域波形

根據(jù)AD9958性能參數(shù)，所需設(shè)計(jì)的低通濾波器指標(biāo)如下：

類(lèi)型：橢圓LC濾波器

通帶截止頻率：fc=200MHz

通帶紋波：ε=0.3

阻帶及衰減fs=230MHz，50dB

輸入輸出匹配阻抗：100Ω

最終設(shè)計(jì)出的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真結(jié)果如圖7(a)、(b)所示。

 

 

圖7(a) 7階橢圓低通濾波器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

 

 

圖7(b) 7階橢圓低通濾波器幅頻響應(yīng)

2.2 信號(hào)源輸出電路

由于AD9958頻率輸出是一個(gè)電流型輸出，等效模型為內(nèi)阻為100KΩ的電流源。DAC輸出電流的滿(mǎn)量程值由外部電阻RSET決定，計(jì)算公式如下：

 

 

而需要設(shè)計(jì)的信號(hào)源是電壓型輸出并能提供一定的輸出驅(qū)動(dòng)能力，所以需要對(duì)ADC輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并在濾波器后插入緩沖放大器。若采用中心抽頭變壓器進(jìn)行電流電壓變換，在低頻時(shí)會(huì)造成插入損耗過(guò)大，固直接通過(guò)終端電阻來(lái)轉(zhuǎn)換。輸出驅(qū)動(dòng)放大器采用高速放大器ADA4891-2。

ADA4891是一款CMOS、高速、高性能、低成本放大器，具有單電源供電，輸入電壓范圍可擴(kuò)展至負(fù)電源軌300mV以下，軌到軌輸出級(jí)使輸出擺幅可以達(dá)到各供電軌50mV以?xún)?nèi)，以提供最大的動(dòng)態(tài)范圍，線(xiàn)性輸出電流150mA(-50dBc時(shí))，-3dB帶寬為240MHz，功耗僅為4.4mA。最終設(shè)計(jì)的輸出電路如圖8所示。

 

 

圖8 AD9958輸出轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路

3 配置平臺(tái)設(shè)計(jì)

配置平臺(tái)主要由控制器和上位機(jī)軟件構(gòu)建，二者之間通過(guò)配置接口實(shí)現(xiàn)命令數(shù)據(jù)交互，完成DDS的配置、控制，參數(shù)讀取。控制器選用STM32F107，上位機(jī)軟件以VC6.0為平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)串口控件MSComm實(shí)現(xiàn)通信。STM32F107是以Cortex-M3為內(nèi)核的一款32位處理器，采用該器件主要是基于以下幾點(diǎn)原因：

1)接口豐富，帶USART，SPI(SCK時(shí)鐘可達(dá)36MHz，單線(xiàn)雙線(xiàn)模式)。

2)含內(nèi)部FLASH，可以將配置數(shù)據(jù)保存，無(wú)需外加非易失存儲(chǔ)器。

3)性能優(yōu)異，功耗低。

控制器軟件流程圖如圖9所示。

 

 

圖9 STM32F107控制軟件流程圖

上位機(jī)軟件提供一個(gè)良好的可視化界面，通過(guò)獲取用戶(hù)指定有效參數(shù)(無(wú)效則給出錯(cuò)誤報(bào)告)，完成下發(fā)命令、接收數(shù)據(jù)、處理下位機(jī)回發(fā)報(bào)告等任務(wù)。設(shè)計(jì)的軟件界面如圖10所示。

 

 

圖10 上位機(jī)平臺(tái)界面

用戶(hù)可通過(guò)界面完成一些常用的配置或直接對(duì)指定的AD9958寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，還可以將配置存入FLASH，以便控制器下次啟動(dòng)后可直接恢復(fù)輸出。向AD9958內(nèi)部地址0x04(CFTW0寄存器寫(xiě))入0x01a80022配置的SPI幀格式(MSB first)如圖11所示。

 

 

圖11 寫(xiě)0x04寄存器的SPI幀格式

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明信號(hào)源輸出特性良好，還具有集成的高、功耗低、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。為了滿(mǎn)足不同應(yīng)

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