基于單片機(jī)和AD9858的4頻點(diǎn)快速跳頻設(shè)計(jì)

摘要：在分析了DDS基本原理以及AD9858基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了AD9858的送數(shù)方式及單片機(jī)接口程序。給出了利用AD9858內(nèi)部寄存器來實(shí)現(xiàn)跳頻時(shí)間小于50ns的4頻點(diǎn)快速跳頻的具體方法。 關(guān)鍵詞：DDS;AD9858;快速跳頻 在電子系統(tǒng)中，常常需要應(yīng)用頻率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)跳頻源設(shè)計(jì)。頻率合成指對一個(gè)高穩(wěn)定的參考頻率進(jìn)行各種技術(shù)處理，以生成一系列穩(wěn)定的頻率輸出。目前應(yīng)用最廣的是鎖相環(huán)(PLL)頻率合成技術(shù)，它是通過改變PLL中的分頻比N來實(shí)現(xiàn)跳頻的，但PLL無法避免環(huán)路鎖定時(shí)間縮短與頻率分辨率提高及雜散減小之間的矛盾，因此很難同時(shí)滿足高速跳頻和細(xì)步長、低雜散的要求。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是一種新的頻率合成技術(shù)。它具有頻率分辨率高、頻率切換快、頻率切換時(shí)相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)跳頻、通信、電子對抗等系統(tǒng)中。 1 DDS基本原理 DDS的原理框圖如圖1所示。相位累加器在A位頻率控制字FCW的控制下，以參考時(shí)鐘頻率fc為采樣率來產(chǎn)生待合成信號相位的數(shù)字線性序列，然后將其高P位作為地址碼，通過查詢正弦表ROM產(chǎn)生S位對應(yīng)信號波形的數(shù)字序列S(n)，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為階梯模擬電壓波形，最后由低通濾波器LPF平滑為正弦波輸出。

頻率控制字FCW和時(shí)鐘頻率fc共同決定了DDS的輸出信號頻率fo 。其關(guān)系是： 輸出頻率：f0=FCW fc/2A 頻率的分辨率為：fo=fc/2A 2 AD9858的特點(diǎn)及送數(shù)方式 AD9858的主要特點(diǎn)： ● 具有1千兆次/秒的采樣速率; ● 具有高達(dá)2GHz的輸入時(shí)鐘(通過2分頻); ● 集成有10位D/A轉(zhuǎn)換器; ● 內(nèi)含32位可編程頻率寄存器; ● 帶有8位并行及SPI串行控制接口; ● 具有自動頻率掃描功能; ● 內(nèi)帶4個(gè)頻率寄存器; ● 采用3.3V低電源供電; ● 電荷泵獨(dú)立供電電壓可達(dá)5V; ● 集成有2GHz混頻器。 由于DDS產(chǎn)生的頻率是由頻率控制字FCW控制的，改變相應(yīng)頻率的控制字即可獲得所需頻率。因此DDS的送數(shù)方法是實(shí)現(xiàn)DDS跳頻源的關(guān)鍵之一。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 AD9858有并行和串行兩種送數(shù)方式。數(shù)據(jù)從用戶傳輸?shù)紻DS器件核心需要兩個(gè)步驟。在寫操作時(shí)，不管是用并行送數(shù)方式還是串行送數(shù)方式，用戶都要首先將數(shù)據(jù)寫入I/O緩沖器。只有當(dāng)數(shù)據(jù)從I/O緩沖器鎖入存儲寄存器，DDS的核心才接收到數(shù)據(jù)。在AD9858中，觸發(fā)FUD腳或者改變預(yù)編程的Profile都可以使I/O緩沖器中的數(shù)據(jù)進(jìn)入DDS的核心存儲寄存器。 (1)并行送數(shù)模式時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)激活八個(gè)雙向數(shù)據(jù)口(D0～D7)、六個(gè)地址輸入口(ADDR5～ADDR0)、一個(gè)讀口(RD)和一個(gè)寫口(WR)，寄存器的選擇由寄存器圖提供的地址決定。讀寫功能由RD和WR脈沖觸發(fā)控制，但這兩個(gè)功能不能同時(shí)起作用。讀寫的數(shù)據(jù)可通過D0～D7腳傳輸。 圖2 (2)串行送數(shù)模式包括兩個(gè)階段。第一階段由一個(gè)8位的指令周期構(gòu)成。最高位是標(biāo)志位，用于確定是讀操作還是寫操作，低六位是串行送數(shù)目標(biāo)寄存器的地址。第二階段就是送數(shù)據(jù)給寄存器。 許多時(shí)候DDS都要求快速跳頻，而頻率的快速變化則要求寄存器的頻率控制字快速更新，因此，通常都要求DDS選用并行送數(shù)。相對于ADI公司以往的DDS芯片而言AD9858的優(yōu)勢在于它具有四個(gè)頻率寄存器及四個(gè)相位補(bǔ)償寄存器這使得它可以方便快速的產(chǎn)生跳頻信號以及四相碼編碼調(diào)制信號而且它轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。這是因?yàn)樘l的頻率控制字已經(jīng)送入DDS核心寄存器中的四組控制寄存器，頻點(diǎn)之間的選擇是依靠外部選擇信號PS1和PS0來實(shí)現(xiàn)的。 3 基于AD9858的快速跳頻設(shè)計(jì) 3.1 跳頻電路 送數(shù)及四頻點(diǎn)的切換通過單片機(jī)來完成。89C51單片機(jī)可在5V電壓下工作，但實(shí)驗(yàn)證明，3.3V供電時(shí)，89C51單片機(jī)的工作也是完全正常的，采用單片機(jī)和DDS芯片AD9858設(shè)計(jì)的跳頻原理圖如圖3。 3.2 軟件程序設(shè)計(jì) 根據(jù)AD9858的時(shí)序特點(diǎn)，可將單片機(jī)的P1.0和P1.1分別與RD和WR相連。這樣，編程時(shí)就可以對頻率控制字和相位補(bǔ)償字的地址列表作如下具體設(shè)置： FTW0_1 EQU 00101011B FTW0_2 EQU 00101111B FTW0_3 EQU 00110011B FTW0_4 EQU 00110111B POW0_1 EQU 00111011B POW0_2 EQU 00111111B 最低兩位分別是RD和WR，初始化時(shí)將其均置為高位。三到六位才是送數(shù)的地址。一個(gè)頻點(diǎn)的送數(shù)程序如下： MOV P3, 40H MOV P1, #FTW0_1 CLR WR_ SETB WR_ SETB FUD CLR FUD 　 MOV P3, 40H MOV P1, #FTW0_2 CLR WR_ SETB WR_ SETB FUD CLR FUD 　 MOV P3,40H MOV P1, #FTW0_3 CLR WR_ SETB WR_ SETB FUD CLR FUD 　 MOV P3, #40H MOV P1, #FTW0_4 CLR WR_ SETB WR_ SETB FUD CLR FUD ; MOV P3, #00H MOV P1, #POW0_1 CLR WR_ SETB WR_ SETB FUD CLR FUD ; MOV P3, #00H MOV P1, #POW0_2 CLR WR_ SETB WR_ SETB FUD CLR FUD 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先將8位頻率控制字送入單片機(jī)的P3口，再將這8位的地址送入P1口。由于送8位地址的同時(shí)也將WR置為高位。因此，將WR置低就可將8位控制字和6位地址送入DDS緩沖器。由于頻率的更新只需FUD一個(gè)上升沿，所以將FUD置為高位就可將8位數(shù)據(jù)送入指定的頻率寄存器(初始化已將FUD置為低位)，最后再將FUD置為低位，以為后邊的頻率更新設(shè)置上升沿做準(zhǔn)備。 通過一個(gè)簡單的程序可將一個(gè)頻點(diǎn)的控制字送入DDS的存儲寄存器。再通過相同的地址列表和送數(shù)方式就可將所需要的其它三個(gè)頻點(diǎn)送入DDS的存儲寄存器。這樣，通過外部選擇信號PS1和PS0就可以快速在這四個(gè)頻點(diǎn)間進(jìn)行切換。 由于AD9858內(nèi)部的頻率寄存器有限，因此，在跳頻的頻點(diǎn)較多時(shí)，每次跳頻都需要改變頻率控制字。DDS的實(shí)際跳頻時(shí)間包括送數(shù)和內(nèi)部切換時(shí)間。如果使用內(nèi)部寄存器通過PS1和PS0來控制切換頻率，則跳頻時(shí)間只有內(nèi)部切換時(shí)間，所以，這種跳頻是相當(dāng)快的。 圖3 4 實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果 實(shí)驗(yàn)表明(該實(shí)驗(yàn)采用400MHz低相噪時(shí)鐘)：AD9858的內(nèi)部切換時(shí)間僅為納秒級。該實(shí)驗(yàn)使用周期邏輯電平控制 PS1和PS0，并通過對PS1和PS0信號的選擇來實(shí)現(xiàn)頻率的切換。最后使用高頻示波器來測試跳頻時(shí)間。 筆者進(jìn)行的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是將一個(gè)寄存器的頻點(diǎn)FCW設(shè)為00000000H(0MHz)，另一個(gè)寄存器的頻點(diǎn)FCW設(shè)為20000000H(125MHz)。測試結(jié)果為：從0MHz跳頻到125MHz所用的時(shí)間為17.6ns。 第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是將一個(gè)寄存器的頻點(diǎn)FCW設(shè)為19999999H(100MHz)，另一寄存器的頻點(diǎn)FCW設(shè)為20000000H(125MHz)。測試結(jié)果為：從100MHz跳頻到125MHz所用的時(shí)間為33.6ns。 5 結(jié)論 從兩次測試的結(jié)果來看利用AD9858內(nèi)部寄存器來實(shí)現(xiàn)快速跳頻是完全可行的。由于測試過程中存在數(shù)據(jù)傳輸延遲，PS0和PS1控制電平的上升沿，所以測試存在一定的誤差，實(shí)際跳頻時(shí)間應(yīng)比測試結(jié)果更短一些。 由于AD9858內(nèi)部只有四個(gè)頻率寄存器，所以跳頻的點(diǎn)有限。在跳頻點(diǎn)不需要很多、跳頻時(shí)間要求很短時(shí)，此方法優(yōu)越性十分明顯。