基于AD9911頻率源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 震

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都 611731)

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)［1］。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)展起來的。DDS具有以下優(yōu)勢［2］:在完全數(shù)字控制下，DDS可以實(shí)現(xiàn)輸出信號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，DDS能對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，無論用于通信，抑或測試設(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簡介

AD9911是ADI公司推出的一款單片DDS芯片，系統(tǒng)時鐘頻率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［3］。AD9911內(nèi)部集成一個DDS主通道和3個副通道、一個10位電流型DAC、一個4～20倍可編程參考時鐘倍乘器(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級的Shift Keying調(diào)制，支持頻率、相位和幅度線性掃描。AD9911是 ADI公司第一款應(yīng)用SpurKiller專利技術(shù)［4］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［5］)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I/O引腳可實(shí)現(xiàn)對DDS芯片的靈活控制;最高40 MHz的時鐘頻率［5］使得系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理速度;支持在線串行編程(ICSP)和在線調(diào)試，節(jié)省了軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試時間。

PIC18LF4520與AD9911的外圍電路簡單，節(jié)省了硬件電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時間，如圖1所示。使用PIC18LF4520的GPIO為AD9911提供控制信號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，SDIO_0是數(shù)據(jù)傳輸，SCLK為數(shù)據(jù)傳輸控制時鐘，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AD9911芯片，所以將多器件同步引腳Pin1和Pin2懸空。

圖1 MCU與AD9911的硬件連接框圖

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

首先需要設(shè)置系統(tǒng)時鐘模式，AD9911外部采用100 MHz恒溫晶振輸出作為參考信號，使用芯片內(nèi)PLL將參考信號倍頻到500 MHz作為系統(tǒng)時鐘，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32位的寄存器，當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率為500 MHz時，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。由于對輸出信號相位無特殊要求，寄存器CPOW0保持默認(rèn)值即可。輸出信號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)部參考時鐘輸入電路、DAC和DDS主副通道數(shù)字邏輯電路可以通過配置相應(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AD9911進(jìn)行寫操作時，需要注意芯片I/O端口通信的時序要求，如圖 2［3］和表 1 所示［3］。在所有寫寄存器操作完成后，需要在I/O_UPDATE引腳送入一個高電平以使寄存器內(nèi)容更新，最小脈沖寬度為系統(tǒng)時鐘周期的4 倍［3］。

圖2 AD9911串行端口寫入時序

表1 I/O端口各狀態(tài)的建立與保持時間

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語言編譯器，使用PICkit 2編程器對單片機(jī)進(jìn)行編程和在線調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

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默認(rèn)頻率信號，AD9911接下來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)在于寫寄存器函數(shù)的編寫，即使用PIC18LF4520的GPIO通過軟件模擬出SPI串口。如圖2所示，串行數(shù)據(jù)在SCLK上升沿寫入，另外單片機(jī)和AD9911之間數(shù)據(jù)通信采用兩線模式，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為控制時鐘SCLK，RD1為片選信號CS。模擬SPI過程如下:首先拉低CS，在SCLK產(chǎn)生一個上升沿，SDO輸出串行數(shù)據(jù)最高位bit7，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，傳輸過程中要注意端口狀態(tài)建立和保持時間。

完成軟件模擬SPI端口函數(shù)SPISim()后，寫寄存器函數(shù)的編寫采用若干次調(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)前加了一個標(biāo)志字節(jié)，單片機(jī)通過判斷接收數(shù)據(jù)的第一個字節(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)生低抖動時鐘信號的主要挑戰(zhàn)，在于降低DDS輸出信號中存在的離散雜散成分所引起的確定性時間抖動［6］。重構(gòu)濾波器是從DDS產(chǎn)生干凈的低抖動時鐘信號的重要部件。重構(gòu)濾波器用于在DAC的輸出端衰減鏡像頻率［7］。通常使用橢圓濾波器作為低通重構(gòu)濾波器，與其他類型濾波器相比，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輸出頻譜中第一個鏡像頻率將越來越接近目標(biāo)頻率。在實(shí)際操作中，將DDS輸出頻率限制為小于系統(tǒng)時鐘頻率的40%［8］。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200 MHz;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50Ω。設(shè)計(jì)出滿足指標(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。

圖4 DAC重構(gòu)濾波器電路原理圖

圖5 DAC重構(gòu)濾波器仿真結(jié)果

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

5 測試結(jié)果

系統(tǒng)時鐘頻率fs=500 MHz，給定輸出信號頻率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AD9911輸出信號，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，輸出信號相位噪聲達(dá)到－100.08 dBc/Hz@10 kHz，且輸出信號頻率精確。

圖6 75 MHz輸出信號截圖

6 結(jié)束語

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。通過利用單片機(jī)配置AD9911片內(nèi)寄存器來實(shí)現(xiàn)對DDS芯片的控制，且在AD9911輸出端設(shè)計(jì)重構(gòu)濾波器以改善信號質(zhì)量。實(shí)測結(jié)果表明，該方案輸出信號相位噪聲小、頻率值精確，通過快速配置寄存器即可實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。

［1］Vadim Manassewitsch.Frequency synthesizer theory and design［M］.何松柏，宋亞梅，鮑景富，等，譯.3 版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］Analog Devices，Inc.A technical tutorial on digital signal synthesis［M］.USA:Analog Devices，Inc.，1999.

［3］Analog Devices，Inc.AD9911:500 MSPS direct digital synthesizer with 10 － bit DAC datasheet，Rev.0［M］.USA:Analog Devices，Inc，2006.

［4］Walt Kester.High speed system applications［M］.USA:Analog Devices，Inc，2006.

［5］Microchip Technology Inc.PIC18F2420/2520/4420/4520 datasheet，Rev.E ［M］.USA:Microchip Technology Inc，2008.

［6］Analog Devices，Inc.AN－823:基于直接數(shù)字頻率合成器的時鐘系統(tǒng)的時間抖動，Rev.0［M］.USA:Analog Devices，Inc.，2006.

［7］Analog Devices，Inc.AN －837:基于 DDS的時鐘抖動性能與DAC重構(gòu)濾波器性能的關(guān)系，Rev.0［M］.USA:Analog Devices，Inc.，2006.

［8］劉抒珍，童子權(quán)，任麗軍，等.DDS波形合成技術(shù)中低通橢圓濾波器的設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2004，9(5):22－24.