基于PIC18LF4520和AD9911的頻率源設(shè)計(jì)

摘要 設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)PIC18LF4520控制DDS芯片AD9911的頻率源電路。闡述了單片機(jī)控制DDS的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，以及AD9911內(nèi)部寄存器的配置要點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)外圍電路簡(jiǎn)單，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率源電路輸出頻率、相位和工作模式的控制，輸出信號(hào)頻率范圍為25～75 MHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該頻率源具有輸出頻率精確、頻率分辨率高和相位噪聲低等特點(diǎn)，符合通信系統(tǒng)對(duì)頻率源的設(shè)計(jì)要求。

頻率源是通信、雷達(dá)、儀器、空間電子設(shè)備和電視等電子系統(tǒng)的核心，其性能直接影響電子系統(tǒng)的性能指標(biāo)。捷變頻、低相位噪聲、寬頻帶以及高頻率分辨率是頻率合成器的研究熱點(diǎn)，直接數(shù)字頻率合成(DDS)正是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的。DDS具有以下優(yōu)勢(shì)：在完全數(shù)字控制下，DDS可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)極小的頻率分辨率和相位分辨率，并且具有快捷的切換速度;DDS的數(shù)字架構(gòu)消除了以往模擬頻率合成器方案中的手動(dòng)調(diào)整以及與其相關(guān)的元件老化和溫度漂移;DDS的數(shù)字控制接口使得系統(tǒng)可以在處理器的控制下方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和微小優(yōu)化;用作正交合成器時(shí)，DDS能對(duì)I/Q合成輸出提供極好的匹配和控制。目前，DDS芯片集成了多種功能，無(wú)論用于通信，抑或測(cè)試設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)，都是理想而靈活的頻率合成器解決方案。

文中基于ADI公司的AD9911芯片提出了一種單片機(jī)+DDS的頻率合成方案，輸出頻率范圍25～75 MHz，頻率步進(jìn)10 kHz，相位噪聲優(yōu)于100 dBc/Hz@10 kHz。

1 AD9911簡(jiǎn)介

AD9911是ADI公司推出的一款單片DDS芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率500 MHz，采用0.35μm CMOS工藝，僅需1.8 V的供電即可輸出高達(dá)250 MHz的同步正交信號(hào)。AD9911內(nèi)部集成一個(gè)DDS主通道和3個(gè)副通道、一個(gè)10位電流型DAC、一個(gè)4～20倍可編程參考時(shí)鐘倍乘器(PLL)以及多種控制寄存器。AD9911具有單音、多音、Test-tone和多器件同步等工作模式，可完成最高16級(jí)的Shift Keying調(diào)制，支持頻率、相位和幅度線(xiàn)性?huà)呙?。AD9911是ADI公司第一款應(yīng)用SpurKiller專(zhuān)利技術(shù)的DDS芯片。AD9911的I/O端口具有4種工作模式且SPI兼容。

2 單片機(jī)控制AD9911的具體實(shí)現(xiàn)

采用Microchip公司的PIC18LF4520單片機(jī)控制AD9911，封裝選擇適合射頻電路使用且節(jié)省空間的TQFP-44。PIC18LF4520具有以下優(yōu)點(diǎn)：寬工作電壓(2.0～5.5 V)能夠符合DDS芯片I/O端口額定電壓要求;內(nèi)部豐富的硬件資源和36個(gè)I/O引腳可實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS芯片的靈活控制;最高40MHz的時(shí)鐘頻率使得系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理速度;支持在線(xiàn)串行編程(ICSP)和在線(xiàn)調(diào)試，節(jié)省了軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間。

PIC18LF4520與AD9911的外圍電路簡(jiǎn)單，節(jié)省了硬件電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，如圖1所示。使用PIC18LF4520的GPIO為AD9911提供控制信號(hào)以及模擬兩者之間的SPI通信。MASTER_RESET用于復(fù)位AD9911，CS為片選信號(hào)，SDIO_O是數(shù)據(jù)傳輸，SCLK為數(shù)據(jù)傳輸控制時(shí)鐘，I/O_UPDATE為AD9911片內(nèi)寄存器狀態(tài)更新使能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)未使用多個(gè)AD9911芯片，所以將多器件同步引腳Pin1和Pin2懸空。

配置AD9911片內(nèi)寄存器，AD9911內(nèi)部共有25個(gè)寄存器，地址為0X00～0X18。用戶(hù)通過(guò)配置寄存器的值選擇AD9911的工作模式，設(shè)置輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度等。

首先需要設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘模式，AD9911外部采用100 MHz恒溫晶振輸出作為參考信號(hào)，使用芯片內(nèi)PLL將參考信號(hào)倍頻到500 MHz作為系統(tǒng)時(shí)鐘，與PLL相關(guān)的控制位在寄存器FR1(0X01)。單音工作模式下，需要使能DDS主通道而禁用DDS副通道，相關(guān)控制位在寄存器CSR(0X00)，I/O端口工作模式也在該寄存器設(shè)置。單音模式下頻率控制字、相位控制字分別由寄存器CTW0(0X04)和CPOW0(0X05)控制。CTW0是一個(gè)32位的寄存器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為500 MHz時(shí)，該寄存器可控制頻率范圍為0～250 MHz，可實(shí)現(xiàn)最小分辨率為0.116 Hz。由于對(duì)輸出信號(hào)相位無(wú)特殊要求，寄存器CPOW0保持默認(rèn)值即可。輸出信號(hào)幅度控制主要在寄存器ACR(0X06)設(shè)置，在此也保持默認(rèn)值。

AD9911內(nèi)部參考時(shí)鐘輸入電路、DAC和DDS主副通道數(shù)字邏輯電路可以通過(guò)配置相應(yīng)的控制位分別關(guān)斷，AD9911將進(jìn)入低功耗工作模式，相關(guān)控制位在寄存器FR1(0X01)和CFR(0X03)。單片機(jī)對(duì)AD9911進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，需要注意芯片I/O端口通信的時(shí)序要求，如圖2和表1所示。在所有寫(xiě)寄存器操作完成后，需要在I/O_UPDATE引腳送入一個(gè)高電平以使寄存器內(nèi)容更新，最小脈沖寬度為系統(tǒng)時(shí)鐘周期的4倍。

3 單片機(jī)控制AD9911軟件設(shè)計(jì)

在MPLAB X IDE下建立工程，編譯器選擇MPLAB C18 C語(yǔ)言編譯器，使用PICkit 2編程器對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程和在線(xiàn)調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

由軟件設(shè)計(jì)流程可以看出，AD9911主要工作在單音模式和低功耗模式。AD9911初始化后，芯片默認(rèn)進(jìn)入單音模式并輸出一個(gè)默認(rèn)頻率信號(hào)，AD9911接下來(lái)的工作模式由單片機(jī)從上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)決定。軟件設(shè)計(jì)中的不同功能模塊均定義了相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)與上位機(jī)之間采用UART通信，單片機(jī)使用中斷處理接收到的數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于寫(xiě)寄存器函數(shù)的編寫(xiě)，即使用PIC18LF4520的GPIO通過(guò)軟件模擬出SPI串口。如圖2所示，串行數(shù)據(jù)在SCLK上升沿寫(xiě)入，另外單片機(jī)和AD9911之間數(shù)據(jù)通信采用兩線(xiàn)模式，CS為片選，所以定義單片機(jī)GPIO引腳RC3為串行數(shù)據(jù)輸出SDO，RD0為控制時(shí)鐘SCLK，RD1為片選信號(hào)CS。模擬SPI過(guò)程如下：首先拉低CS，在SCLK產(chǎn)生一個(gè)上升沿，SDO輸出串行數(shù)據(jù)最高位bil7，然后拉低SCLK，串行數(shù)據(jù)左移一位，再拉高SCLK，SDO輸出串行數(shù)據(jù)次高位bit6，如此重復(fù)8次即完成1 Byte的輸出，傳輸過(guò)程中要注意端口狀態(tài)建立和保持時(shí)間。

完成軟件模擬SPI端口函數(shù)SPISim()后，寫(xiě)寄存器函數(shù)的編寫(xiě)采用若干次調(diào)用SPISim()的方式完成。單片機(jī)與上位機(jī)之間通信需要有相關(guān)的協(xié)議，單片機(jī)中斷服務(wù)程序根據(jù)協(xié)議對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而完成相關(guān)的操作。本方案中，在擬發(fā)送數(shù)據(jù)前加了一個(gè)標(biāo)志字節(jié)，單片機(jī)通過(guò)判斷接收數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)而進(jìn)行相應(yīng)的操作。

4 DAC重構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)

使用DDS產(chǎn)生低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的主要挑戰(zhàn)，在于降低DDS輸出信號(hào)中存在的離散雜散成分所引起的確定性時(shí)間抖動(dòng)。重構(gòu)濾波器是從DDS產(chǎn)生干凈的低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的重要部件。重構(gòu)濾波器用于在DAC的輸出端衰減鏡像頻率。通常使用橢圓濾波器作為低通重構(gòu)濾波器，與其他類(lèi)型濾波器相比，在給定復(fù)雜度的情況下，橢圓濾波器可提供最快的通帶至阻帶轉(zhuǎn)換。

理論上DDS的頻率調(diào)諧范圍可以從DC到系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的一半，然而隨著目標(biāo)輸出頻率的升高，DDS輸出頻譜中第一個(gè)鏡像頻率將越來(lái)越接近目標(biāo)頻率。在實(shí)際操作中，將DDS輸出頻率限制為小于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的40%。這種做法既充分利用了DDS調(diào)諧帶寬，又適應(yīng)了外部濾波要求，降低了重構(gòu)濾波器的復(fù)雜度并節(jié)省了成本。因此，設(shè)計(jì)重構(gòu)濾波器截止頻率為200 MHz。

使用ADS軟件自帶集總參數(shù)濾波器設(shè)計(jì)向?qū)瓿蓹E圓低通濾波器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：通帶頻率200MHz;阻帶頻率300 MHz;通帶衰減0.5 dB;阻帶衰減70 dB;源和負(fù)載阻抗均為50 Ω。設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足指標(biāo)的7階橢圓低通濾波器，將設(shè)計(jì)軟件綜合出的元件值換為與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，所得電路原理圖如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

如圖4所示，S21曲線(xiàn)在200 MHz和300 MHz處的數(shù)值分別為-0.062 dB和-73.074 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fs=500 MHz，給定輸出信號(hào)頻率fo，則相應(yīng)的頻率控制字FTW可由式(1)計(jì)算得到。

當(dāng)fo=75 MHz，F(xiàn)TW=0x26_66_66_66。將FTW寫(xiě)入寄存器CTW0(0X04)，使用羅德與施瓦茨頻譜分析儀R&S FSP40實(shí)測(cè)AD9911輸出信號(hào)，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，輸出信號(hào)相位噪聲達(dá)到-100.08 dBe/Hz@10 kHz，且輸出信號(hào)頻率精確。

6 結(jié)束語(yǔ)

介紹了基于AD9911的頻率源的實(shí)現(xiàn)方法，完成了使用PIC單片機(jī)控制DDS的頻率源。通過(guò)利用單片機(jī)配置AD9911片內(nèi)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS芯片的控制，且在AD9911輸出端設(shè)計(jì)重構(gòu)濾波器以改善信號(hào)質(zhì)量。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方案輸出信號(hào)相位噪聲小、頻率值精確，通過(guò)快速配置寄存器即可實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。