基于AD9854的信号发生器设计

陈翠 发表于 2017-12-09 11:38:12 收藏 已收藏
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基于AD9854的信号发生器设计

陈翠 发表于 2017-12-09 11:38:12

  1、AD9854介绍

  AD9854数字合成器是高集成度的器件,它采用先进的DDS技术,片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下,AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号,作为本振用于通信,雷达等方面。

  AD9854的DDS核具有48位的频率分辨率(在300M系统时钟下,频率分辨率可达1uHZ)。输出17位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。AD9854允许输出的信号频率高达150MHZ,而数字调制输出频率可达100MHZ。通过内部高速比较器正弦波转换为方波输出,可用作方便的时钟发生器。

  器件有两个14位相位寄存器和一个用作BPSK操作的引脚。对于高阶的PSK调制,可通过I/O接口改变相位控制字实现。具有改进DDS结构的12位I和Q通道D/A转换器可以提供较大的带宽并有较好的窄带无杂散动态范围(SFDR)。如果不使用Q通道的正交功能,它还可以通过配置,由用户编程控制D/A转换。当配置高速比较器时,12位D/A输出的方波可以用来做时钟发生器。它还有两个12位数字正交可编程幅度调制器,和通断整形键控功能,并有一个非常好的可控方波输出。同时脉冲调制功能在宽带扫频中也有重要应用。

  AD9854的300M系统时钟可以通过4X和20X可编程控制电路由较低的外部基准时钟得到也可以通过单端或差分输入。AD9854还有单脚输入的常规FSK和改进的斜率FSK输出。AD9854采用先进的0.35微米COMS工艺在3.3V单电源供电的情况下提供强大的功能。

  2、AD9854工作原理

  2.1、DDS技术

  AD9854中使用的DDS技术

  是根据奈奎斯特采样定律,从连续信号的相位出发将一个正弦信号取样、量化、编码,形成一个正弦函数表,存于EPROM中;合成时,通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。相位增量不同,一个正弦周期内的采样点数不同。在

  时钟频率即采样频率不变的情况下,通过相位的改变来实现频率的改变,计算公式为

  基于AD9854的信号发生器设计

  将这种变化的相位/幅值量化的数字信号通过D/A转换即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。

  2.2、AD9854芯片结构及工作模式

  AD9854是美国AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高集成度的电路器件。它内部集成了48Bit频率累加器、48Bit相位累加器、正余弦波形表、高速、高性能的正交D/A转换器以及调制和控制电路,能够在单片上完成频率调制、相位调制、幅度调制和IQ正交调制等多种功能。当输入一个准确的参考频率,AD9854就产生一个高稳定的频率、相位、幅度可编程调制的正弦和余弦信号,作为本机振荡器用于通信、雷达等方面。AD9854的DDS内核具有48Bit的频率分辨率,相位截断17Bit保证了优良的无杂散动态比(SFDR)指标。同时,AD9854内部还含有可编程控制的时钟乘法器,这可以使用户采用相对较低频率的振荡器通过乘法电路实现从4到20的整数倍频成为系统时钟信号,其内部时钟速率最大可达300MHz。

  AD9854有五种工作模式,分别为Single-Tone(Mode 000)、FSK(Mode 001)、Ramped FSK(Mode 010)、Chirp(Mode 011)和BPSK(Mode 100),模式选择可在控制寄存器里进行修改。在这五种模式中,Single-Tone模式是最为灵活的一种,也是主复位后的默认模式。通过该模式可以根据需要任意设定输出信号的频率、幅度和相位等特性。在FSK模式下,其输出信号的频率可根据引脚P29的电平高低在频率控制字F1和F2之间选择,而其相位则由相位控制字P1决定,频率跳变时相位保持连续。

  Ramped FSK模式与FSK的不同之处在于:F1和F2分别存储低频率和高频率,输出从F1到F2扫描,扫描间隔和速度可以控制,控制寄存器中既可提供单独控制位以实现自动三角形扫频过程,也可改变扫频速度以实现非线性扫频。Chirp模式是在指定的频率范围和频率精度上,频率可以是线性或非线性变化输出,而且扫频方向可控。与Ramped FSK模式相比,该模式需要用户自己通过“HOLD”(P29高电平)控制停止频率点,同时控制停止后的状态。BPSK模式的工作方式几乎和FSK完全相同,只是BPSK模式将频率F1和F2之间的切换变成了相位P1和P2之间的切换,引脚P29低电平时选择P1,高电平时选择P2。此外,还要通过频率寄存器对输出信号的频率进行控制。

  3、系统硬件设计

  本文设计的信号发生器采用DDS技术,结合单片机控制,实现正弦波、方波、三角波、点频、扫频、跳频等功能,以及AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK等调制功能。系统组成结构如图1所示,主要有单片机控制模块、键盘与显示模块、数字合成模块、滤波模块及功放模块。

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  3.1、信号的产生及显示控制

  系统采用的单片机控制芯片是台湾Winbond公司的W78E58芯片,它是51系列单片机兼容的微控制器,其内部有32KB的FLASH EEPROM,用户编制的程序及需要显示的英文字母、 数字、汉字、曲线和图形都可以存储在里面,免去了扩展外部存储器的麻烦,使得以W78E58单片机为核心的控制系统电路更简单。而且它的一个机器周期是4倍的振荡周期,执行同一 条指令的时间只是普通的8051单片机的1/3,因此指令操作更加快速。

  本文设计中,W78E58的参考时钟由20MHz的晶体振荡器产生,同时也把它作为AD9854的输入时钟,再经过内部乘法电路15倍频后达到300MHz的系统时钟。AD9854有10MHz串行接口和100MHz8位并行接口2种方式可以选择,此处将S/P SELECT(Pin 70)引脚接高电平,选择并行传输方式。如图2所示,W78E58的P0.0至P0.7端口与AD9854的D0至D7端口相连传输数据信息,P2.0至P2.5端口与A0至A5端口相连传输寄存器地址信息,P3.6、P3.7分别与WR、RD两个引脚相连控制读写操作,由这三部分共同组成并行传输控制。例如,当WR引脚置低电平时,频率控制字通过数据端口送入I/O缓冲寄存器,再由内部的刷新时钟把控制字写入指定地址的寄存器。

  为节省单片机I/O口,简化硬件线路,本文采用矩阵式键盘,并结合软件编程,实现双功能键。键盘共设有16个键,由P1.0~P1.3四条行线和P1.4~P1.7四条列线构成。其中包括数字键、单位键及功能键,用来对所需信号的频率、幅度及功能进行控制,最后输出的信号 频率、幅度等信息通过液晶显示屏显示出来。显示部分采用国显公司的GXM1602NSL液晶模块,它的核心是HD44780。与W78E58的数据传输采用8位并行传输,可显示两行共32个点阵字符。HD44780支持用户自定义字符,故可以通过编程将频率、幅度、波形等汉字及数字信息显示出来。

  本文设计中还采用了通信接口(RS232)与PC机相联,PC机的控制命令可以通过TXD(Pin10)和RXD(Pin11)与W78E58进行交互,控制信号源的输出。

基于AD9854的信号发生器设计

  3.2、信号的处理

  根据DDS合成的频谱分析,由于存在相位截断和D/A转换,输出信号含有高次谐波分量干扰。尤其是输出信号频率越高,谐波畸变越大,本文设计的信号发生器输出频率最高达100MHz,故需进行更有效的滤波处理。本设计中采用的小波分析能同时利用信号与噪声在时域和频域内的差别, 实现更为有效的信噪分离, 从而获得较为理想的除噪效果。滤除高次谐波时,利用3σ准则

  确定每层小波分解系数的阈值。3σ准则通常用于测量误差的处理,主要功能是挑出测量误差中的粗大误差。基本思想是:由于随机误差是服从于正态分布, 则误差的绝对值主要集中在均值(0)附近。凡所测数据大于3σ的则认为是粗大误差,予以剔除。具体算法为:1)计算各层细节系数的均方值σ; 2)将相应层的小波变换系数中绝对值大于3σ的系数置为0,其他保持不变; 3)返回1)重新计算σ的值,继续比较,如果小波变换系数中仍然有大于3σ的值存在,则循环执行1)、2),直到该层所有小波变换系数都小于该次求得的3σ。此时的3σ就是该层小波分解系数去噪阈值。处理后的系数再进行小波反变换,即得到预期的波形。把滤波后的I和Q通过VINP(Pin42)、VINN(Pin43)脚输入,经过高速比较器,即可得到方波信号,方波信号经过简单的变换,可得到三角波、锯齿波等。

  4、系统软件设计

  在仪器的整个设计中,对系统软件的设计采用模块化设计的方法。系统软件由主监控软件、键盘显示器管理模块、外设中断管理处理模块、各功能模块和数据处理模块构成。上电复位后仪器首先进入监控主程序。它的任务是识别命令、解释命令,并获得完成该命令的相应模块的入口,起着引导仪器进入正常工作状态。系统的软件用C语言设计,相对于汇编语言,C语言对机器底层硬件操作较为方便,模块化程度高,可读性与可移植性好。

  基于AD9854的信号发生器设计

  主程序框图如图3所示。对AD9854进行初始化控制时,首先,MASTER RESET(Pin71)脚必须置高10个系统周期以上,然后对AD9854写入控制字。一旦设定后,AD9854将保持设定状态不变,直到重新进行设置。AD9854通过内部一个地址范围为00H~27H的寄存器表存储有关的各种控制字和状态字。用户可通过I/O与该寄存器表进行通信,I/O缓冲区的内容必须在更新脉冲的作用下才能刷新到寄存器表中,这样可以很好地达到同步。寄存器表中00H、01H和02H、03H单元分别存放14位的相位控制字1和相位控制字2,它决定了

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  基于AD9854的信号发生器设计

  5、总结

  本文设计的信号发生器采用DDS芯片AD9854,结合单片机控制技术,使得整机结构简单,功能齐全。不仅具有AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK调制功能,还有点频、扫频和跳频等功能。经过实际测试,其分辨率、信噪比和幅度控制达到了设计要求,输出最高频率达到了100MHz,频率分辨率达到1μHz,抗干扰能力很强,满足实验室和科研使用的要求。

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