摘要：為滿足航空電子、雷達設備和通信系統等領域相對低相位噪聲、穩定工作、高分辨率、快頻率轉換以及低功耗的通用信號源的需求，提出了一種采用高性能控制器C8051F020控制AD9959頻率合成芯片的設計方法和軟件設計流程，zui終實現了單頻點12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調頻3路信號輸出，并對測試結果進行了分析。測試結果表明，此方案設計的信號源具有頻譜純，相噪低，轉換時間快等特點，可滿足實際系統的需要。
　　
　　引言
　　
　　頻率合成器是現代電子系統的重要組成部分，是決定電子系統性能的關鍵設備之一。低相位噪聲、高頻譜純度、高捷變速率和高頻率分辨率的頻率合成器已經成為頻率合成技術發展的主要趨勢。直接數字頻率合成（DDS）技術是從相位概念出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術，它的主要特點包括使用方便靈活，具有變頻范圍廣，頻率步進小，幅度和頻率精度高，調諧方便，體積小，重量輕以及易于集成等優點，在當今電子系統中得到了廣泛應用。
　　
　　本文通過C8051F020單片機實現對AD9959頻率合成芯片的連接控制，結合少量外圍電路即構成一個完整的低噪聲、低功耗、高穩定度、高可靠性的頻率合成器。本信號源的直接頻率合成器將通過對單片機C8051F020的標準SPI端口編程控制AD9959芯片的寄存器，從而實現單頻點12MHz，48MHz和帶寬30MHz的線性調頻3路相參信號輸出。
　　
　　1、系統方案設計與功能單元介紹
　　
　　1．1系統方案設計
　　
　　本設計的主控芯片采用了新華龍公司的C8051F020單片機，信號產生芯片采用美國ADI公司的具有4路通道的DDS芯片AD9959，電源部分采用能提供5V和3．3V的穩壓開關電源。系統的設計框圖如圖1所示。　　
　　1．2AD9959芯片
　　
　　AD9959是美國ADI公司推出的一款四通道、低功耗、高速直接數字頻率合成器，采樣頻率高達500MSPS。該芯片內部集成了4個DDS內核，可對4個內部同步輸出通道進行獨立編程。通過1個公用系統時鐘在芯片內部同步其獨立的通道，每個通道的功率小于165mW。可以實現zui多16級的頻率、相位和幅度調制（FSK，PSK，ASK）。通過應用數據到配置管腳可控制調制水平。另外，也可以工作在線性掃頻、掃相或掃幅模式。應用到雷達和測量儀器中，還可以對由于模擬處理（例如濾波、放大）或者PCB布線失配而產生外部信號通道的不均衡進行有效的校正。
　　
　　該器件集成了具有突出的寬帶和窄帶SFDR特性的4路高速10位DAC。每一個通道都具有32位頻率控制字，14位相位控制字，10位輸出幅度控制字。它被廣泛地應用在本地振蕩源、相控陣列雷達／聲納系統、測量儀器／儀表、同步時鐘及RF信號源等方面。其特性如下：
　　
　　（1）有4路帶10位DAC的DDS通道，zui高取樣頻率為500MSPS；
　　
　　（2）各個通道都有獨立的頻率／相位／幅度控制功能；
　　
　　（3）大于65dB的通道隔離度；
　　
　　（4）線性頻率／相位／幅度掃描功能；
　　
　　（5）zui高可達16級的頻率／相位／幅度調制；
　　
　　（6）DAC既可縮放電流又可獨立編程；
　　
　　（7）0．116Hz或者更好的頻率調整分辨率；
　　
　　（8）32位頻率分辨率；
　　
　　（9）14位相位偏移分辨率；
　　
　　（10）10位輸出幅度可縮放的分辨率；
　　
　　（11）具有增強數據吞吐量的串行I／O口（SPI）；
　　
　　（12）可通過軟件／硬件控制節電模式，以降低功耗；
　　
　　（13）雙電源供應（DDS核1．8V，串行I／O3．3V）；
　　
　　（14）內置多器件同步功能；
　　
　　（15）內置時鐘倍頻鎖相環（4～20倍倍頻）；
　　
　　（16）可選擇參考時鐘源。
　　
　　2、系統軟件設計
　　
　　2．1程序設計流程
　　
　　該系統中主要使用了帶有SPI總線的C8051F020單片機的P1和P2幾個I／O端口，它們與AD9959的連接示意圖如圖2所示。　　
　　在單片機編程的主函數中首先要關閉看門狗，否則每當執行到斷點時，程序將會跳轉到入口點從頭執行。接著初始化單片機的時鐘（使用外部高精度、高穩定度晶振22．1184MHz）和I／O口配置，然后通過I／O端口對AD9959進行初始化、選擇通道、寫入相對應的控制字、發送I／O_UPDATE信號，輸出所要求的信號。單片機的程序流程圖如圖3所示。　　
　　2．2單頻點信號產生
　　
　　本系統要產生12MHz和48MHz的正弦波信號，根據輸出頻率的計算公式：f=（FTW·fs）／232，可以算出頻率控制字FTW的值為FTW=（fo·232）／fs，當fs=500MHz時，輸出12MHz頻率對應的頻率控制字為：FTW=0624DD2F；48MHz對應的頻率控制字為：FTW=189374BC。然后只需要將控制字寫到AD9995的CTW0寄存器中即可。下面是具體的操作過程：
　　
　　（1）AD9959初始化，使其內部寄存器處于初始狀態，即工作模式為單頻模式，頻率控制字和相位控制字均置0，Single-Bit串行數據傳輸。
　　
　　（2）設置系統參考頻率為100MHz，倍頻為PLL=5。
　　
　　（3）通道0使能位置1，其他通道使能位都置0。
　　
　　（4）使用串行I／O口，發送通道0所需要的頻率控制字0624DD2F到I／OBuffer。
　　
　　（5）通道1使能位置1，其他通道使能位均置0。
　　
　　（6）使用串行I／O口，發送通道1所需要的頻率控制字189374BC到I／OBuffer。
　　
　　（7）發送I／O_UPDATE信號，將I／OBuffer中的數據傳送到內部寄存器（ActiveRegister）。
　　
　　輸出信號的波形可以在測試結果與分析中的圖4和圖5看到。　　
　　2．3線性調頻信號產生
　　
　　AD9959沒有直接產生線性調頻的功能模式，但是可以通過間接的方法實現此功能，其原理與能產生線性調頻的AD9854一樣，都是在線性掃頻的過程中改變掃頻步進控制字（RDW／FDW）和掃頻駐留時間控制字（RSRR／FSRR）。所以只有在AD9959掃頻的過程中根據實際需要不停地更改RDW／FDW和RSRR／FSRR，就可以得到線性調頻信號。
　　
　　對于線性調頻工作狀態的實現，還有一點需要說明。由于線性調頻信號是有時寬限制的，因此在輸出線性調頻信號的時候，需要外部定時器來實現對時寬的控制。
　　
　　具體操作為：先把線性掃頻模式配置為非駐留線性掃頻模式，然后起始頻率、結束頻率、上升掃頻步進控制字（RDW）和上升掃頻駐留時間控制字（RSRR），zui后利用單片機的定時器定時控制P2管腳，以對線性調頻信號進行控制。
　　
　　本系統需要產生帶寬30MHz的線性調頻信號，在這里將中心頻率設為50MHz，故起始頻率設為35MHz，結束頻率設為65MHz，上升掃頻步進頻率設為1kHz，上升掃頻駐留時間設為zui小值8ns，然后給系統送一個I／O_UPDATE信號，把將寫入到寄存器的值導入到DDS內核中。
　　
　　當P2由低電平變到高電平時（具有I／O_UPDATE功能），AD9959就開始從起始頻率掃向結束頻率，每過8ns芯片自動將RDW的值送到頻率累加器（不是相位累加器），以線性改變輸出的頻率值，當到達結束頻率時，DDS芯片會自動返回到起始頻率。此過程的時間總共為240μs（即時寬為240μs），定時器定時240μs后，P2取反，周期變化，這樣就可以周期地產生線性調頻信號了，其實際輸出波形如圖6所示。　　
　　3、測試結果與分析
　　
　　經過實驗調試，zui終輸出了單頻點的12MHz，48MHz信號和帶寬為30MHz的線性調頻信號。下面是測試所得圖片。
　　
　　圖4顯示了12MHz信號輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實測輸出頻率為11．9986MHz，非常接近12MHz，波動范圍為11．914MHz到12．073MHz，輸出頻率穩定。
　　
　　圖5顯示了48MHz信號輸出波形。可以看出，其波形失真度小，而且實測輸出頻率為48．01721MHz，與所要求的輸出頻率相差不大，輸出頻率穩定。
　　
　　圖6顯示了帶寬為30MHz線性調頻信號的輸出波形。可以看出，輸出信號的波形幅度穩定，相位連續，失真度小。
　　
　　4、結語
　　
　　DDS作為一種成熟的技術已經得到了廣泛的應用。本系統就是在DDS芯片AD9959的基礎上實現了2kHz～200MHz頻段任意頻點的正弦波信號輸出以及帶寬為30MHz的線性調頻信號輸出，AD9959有4個輸出通道，通道之間隔離度均值達到了74．2dBm，具有良好的隔離度，其輸出信號經示波器、頻譜儀分析穩定性好，頻率相位分辨率高，相噪低，能滿足無源雷達信號源以及其他設備信號源的要求，具有很好．的應用價值。