基于AD9958的雙通道正弦信號源的設計

劉大成，張洪水，楊 陽

（92785部隊 遼寧 綏中125200）

基于AD9958的雙通道正弦信號源的設計

劉大成，張洪水，楊 陽

（92785部隊 遼寧 綏中125200）

為實現(xiàn)獲取高精度雙通道正弦信號源的目的，針對高性能頻率合成器AD9958的性能特點，結合增強型、低功耗51單片機，設計一種基于DDS技術的高精度雙通道正弦信號源。介紹了AD9958的主要功能特點，并對其內(nèi)部結構進行說明，通過SPI接口通信實現(xiàn)了與FPGA的通信控制，介紹了系統(tǒng)硬件原理及接口關系，最后選取3個頻率點進行測量，結果為系統(tǒng)誤差小、精度高、響應快，證明系統(tǒng)滿足設計使用要求，達到了預期目的。

信號源；AD9958；STC12C5412；SPI接口

在通訊、雷達、宇航、電視廣播、遙控遙測和電子測量等領域，高精度正弦信號源廣泛應用，其中信號頻率的控制和穩(wěn)定度是其主要指標因素。目前，常用的LC振蕩器、RC振蕩器已不能滿足要求，隨著DDS技術的快速發(fā)展，以DDS芯片為核心設計信號源已成為潮流。本文根據(jù)實際使用需要設計高精度雙通道正弦波信號源，它以DDS芯片AD9958為核心，采用單片機控制的方式產(chǎn)生正弦波信號，信號頻率、幅度和相位精度可控。

AD9958是美國ADI公司生產(chǎn)的雙路輸出的DDS器件，每路可單獨控制頻率、相位和幅度，能產(chǎn)生500 MHz的模擬正弦波，具有頻率轉換時間短、頻率分辨率高、功耗低等優(yōu)點，同時由于兩個通道共享一個公共系統(tǒng)時鐘，具有固有的同步性，可支持多個設備同步，因此可以很容易地對信號實現(xiàn)全數(shù)字式調(diào)制。

單片機選擇宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5412，它是新一代增強型、低功耗51單片機，具有2K非易失E2PROM和SPI接口，非常方便與AD9958[1]接口，實現(xiàn)對信號的控制。同時由于STC12C5412具有先進的RISC精簡指令集結構、硬件看門狗、4路PWM、8路高速A/D轉換、超強抗干擾、寬電壓和低功耗等特點，在此作為控制芯片使用[2]。

1 AD9958介紹

1.1 主要性能特點

1）2路帶10位DAC的DDS通道；

2）最高取樣頻率為500MSPS；

3）內(nèi)部時鐘4倍頻至20倍頻可編程選擇；

4）大于72dB的通道隔離度；

5）16級頻率、相位、幅度調(diào)制；

6）32位頻率分辨率；

7）14位相位失調(diào)分辨率；

8）10位輸出幅度可縮放的分辨率；

9）有800Mbps增強數(shù)據(jù)吞吐量的串行I/O口（SPI）；

10）內(nèi)置多器件同步功能。

1.2 結構說明

AD9958有2個DDS核，能夠提供2個內(nèi)部同步、獨立編程的輸出通道；可進行獨立頻率、相位和幅度控制；可編程的通道控制，可以對由于模擬處理（例如濾波、放大）或者PCB布線的失配而產(chǎn)生的外部信號通道的不均衡進行校正，也能夠?qū)Χ嗤ǖ佬盘栔g的不平衡提供有效的校正控制，實現(xiàn)同步；如果需要增加通道，允許通過菊花鏈方式連接多片DDS芯片。AD9958的內(nèi)部結構如圖1所示。

它由相位累加器、數(shù)據(jù)寄存器、時序與控制邏輯電路、模數(shù)轉換器、多路選擇器、相位寄存器和SPI串行通信接口控制器等組成。圖中CS為芯片的片選信號輸入端，高電平有效。SDIO_0～SDIO_3為雙向引腳，用于串行操作的數(shù)據(jù)輸入和輸出。SCLK為I/O串行操作時鐘輸入端，在該端的上升沿寫入數(shù)據(jù)，下降沿讀出數(shù)據(jù)。IOUT為輸出引腳，兩個通道各有一個互補輸出端，使用時需接高拉電阻至電源。

圖1 AD9958的內(nèi)部原理圖

2 SPI接口通信

AD9958具有SPI串行通信接口[3]，極易實現(xiàn)與單片機的通信。SPI通信是通過SDIO_0～SDIO_3、CS和SCLK等引腳實現(xiàn)的。為保證能正確傳送數(shù)據(jù)到AD9958的數(shù)據(jù)寄存器，要嚴格按照通信命令格式及時序的要求進行。讀取寄存器命令格式見表1，命令序列由8位二進制數(shù)組成，第一位為讀/寫控制位，為“1”則讀取寄存器數(shù)據(jù)，為“0”則向寄存器中寫入數(shù)據(jù)；中間兩位為無關位；最后五位為寄存器選擇位，D0～D4分別對應寄存器A0～A4。圖2說明了向AD9958寫指令或數(shù)據(jù)的操作時序。

表1 命令字格式

AD9958與單片機的通訊周期分為兩個階段，第一階段為指令周期，當SCLK為上升沿時，將8位數(shù)據(jù)依次寫入AD9958中；第二階段為數(shù)據(jù)傳送周期，此時傳送波形參數(shù)的控制字。其中CS低電平的時間必須為16個時鐘的整數(shù)倍，否則將中止命令。

STC12C5412單片機為了和AD9958的SPI通信相對應，單片機選擇主模式作為主機工作，AD9958作為從機工作。按照AD9958的時序圖要求，STC12C5412配置如下：控制位CPHA=1，前時鐘沿驅(qū)動，后時鐘沿采樣，CPOL=0，SPICLK空閑時為低電平，前時鐘沿為上升沿，后時鐘沿為下降沿。SPI時鐘速率選擇為CPUCLK/16[4]。

圖2 SPI時序波形圖

3 硬件電路設計

系統(tǒng)硬件設計[5-6]原理如圖3所示。電路由DDS芯片AD9958、晶體振蕩器、放大濾波電路、輸入模塊、分壓電阻和單片機STC12C5412等組成。

通過輸入模塊向單片機發(fā)送指令參數(shù)，設置信號源的輸出信號。單片機通過SPI接口與AD9958連接，完成對其內(nèi)參數(shù)的寫操作。電路設計中，為提高SPI通信的可靠性，在時鐘SLK、SDIO_0～SDIO_3各線上可加100 pF的對地電容濾除掉干擾毛刺。為保證采樣精度，AD9958的引腳VDD和VSS對地各接一只0.1 μF的陶瓷電容，并且電容應盡可能的靠近芯片引腳。

由于AD9958的IOUT輸出端采用的是電流輸出方式，所以在輸出端需接對地電阻，將電流信號變?yōu)殡妷盒盘?。IOUT端輸出范圍為10～30 mA，在此選擇阻值為30 Ω的電阻接地，這時經(jīng)過電流電壓轉化后，其輸出電壓峰值約為900 mV。

圖3 系統(tǒng)原理圖

4 軟件設計

該雙通道正弦信號源的軟件設計主要完成SPI數(shù)據(jù)讀取及處理工作，程序采用VC語言編寫，程序流程框圖如圖4所示。

圖4 主程序框圖

所有命令都是通過將CS引腳設置為低電平，并隨后將命令字節(jié)和緊跟的數(shù)據(jù)字節(jié)移入16位移位寄存器完成的。當CS上升后執(zhí)行命令。數(shù)據(jù)在時鐘上升沿送入，器件會記錄CS處于低電平時的時鐘數(shù)（上升沿），如果時鐘數(shù)不是16的倍數(shù)，則中止所有命令。當要將新數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器時，命令選擇位C1和C0分別置為0，1，P0置為1。

5 試驗結果分析

選取3個頻率點進行測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。其中頻率準確度最高，測量設備為6位有效數(shù)字，幾乎測不到誤差值，這也表明了DDS技術的優(yōu)越性；由于系統(tǒng)響應時間很快，設定頻率變化后，兩路頻率同時瞬時變化；幅度存在誤差，原因是后級濾波放大電路電容和電阻的電器特性不一致所造成，與AD9958的性能無關。

表2 測量數(shù)據(jù)

6 結束語

文中對雙通正弦道信號源的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行了設計，給出了硬件框圖和軟件流程圖，同時搭建電路對設計成果進行測量分析，得出的測量結果滿足設計要求，表明設計的可行性和科學性，為工程應用提供科學依據(jù)。

以AD9958作為核心設計的信號源除具有高穩(wěn)定性、高精度、高分辨率、高速建立信號等突出優(yōu)點，還具有可以輸出2路同步信號、可以多片芯片同步鏈接等優(yōu)點，可應用在各種工作領域，有著廣闊的應用前景。

[1]Microship Technology Inc.MCP41100 Data Sheet[EB/OL].（2006）.http://www.ortodoxism.ro/datasheets/microchip/11195c.pdf.

[2]宏晶科技公司.STC12C5412AD Data Sheet[EB/OL].（2002）.http://soft.laogu.com/download/stc12c5412ad.pdf.

[3]詹俊鵬，張鵬愷，李鵬.基于AD9958多波形雷達信號源軟硬件的設計[J].電子設計工程，2009（1）:69-71.

[4]宋征，許國宏，李星.基于AD9959的高精度多通道雷達信號源設計[J].電子設計工程，2012（9）:95-97.

[5]周美麗，劉生春，白宗文.基于AD9957的雙通道高速數(shù)字調(diào)制信號源的設計[J].電子設計工程，2007（7）:39-41.

[6]陳凌云.C波段頻率合成源的研制[D].南京:南京理工大學，2005.

[7]劉靜，段建東，陸海龍，等.基于電流固有頻率的VSCHVDC直流線路保護[J].陜西電力，2015（11）：31-36.

Design of double-phasic high precision sine wave signal source based on AD9958

LIU Da-cheng，ZHANG Hong-shui，YANG Yang
（92785 Troops，Suizhong 125200，China）

To obtain high precision dual sine signal source to achieve the purpose，according to the performance characteristics of high performance frequency synthesizer AD9958，with enhanced，low power 51 microcontroller，design a DDS based high precision double channel sine signal source.This paper introduces the main function characteristics of AD9958，and its internal structure is described，through the SPI interface communication with communication control FPGA，introduced the system hardware principle and interface relations，finally selected 3 frequency points were measured，results for the system error is small，high precision，fast response，that the system meets the design requirements，to achieve the expected goal.

signal source；AD9958；STC12C5412；SPI interface

TN761

B

1674－6236（2016）18-0191-03

2015-09-07 稿件編號：201509053

劉大成（1982—），男，河北遷安人，工程師。研究方向：雷達工程。