基于DDS技术的高精度微波信号发生器

1、    基于DDS技术的高精度微波信号发生器        刘开辉1, 朱平云2 时间:2008年07月17日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 直接数字频率合成 上变频 信号发生器1 信号发处器的总体设计信号发生器主要由接口电路

2、、C8051F单片机、AD9854 DDS频率合成芯片、低通滤波、AD8346正交上变频调制器等组成。其组成框图如图1所示。2 信号发生器硬件电路的实现 信号发生器的硬件电路主要包括三大部分：单片机电路、DDS电路和正交上变频电路。2.1 单片机电路信号发生器采用C8051F单片机作为整个系统的控制中心，主要考虑到其结构简单，使用方便。采用的单片机为美国Cygnal集成产品公司的C8051F005单片机。该单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核，峰值速度可达25MIPS；在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几

3、乎所有模拟外设和数字外设以及其他功能部件，并具有32KB的可在系统(ISP)编程和可在应用(IAP)编程的FLASH存储器，在使用时可以随时根据需要对系统进行重新编程；单片机中还配置了标准的JTAG接口(IEE1149.1),在上位机软件支持下，通过串行的JTAG接口可直接对产品进行仿真调试，调试十分方便。该JTAG接口不仅支持FLASH ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能，通过对边界寄存器的编程控制，可以对所有的器件引脚、SFR总线和I/O弱上拉功能实现观察和控制。在本设计中，单片机主要完成以下功能：(1) 与控制计算机进行通讯；(2) 根

4、据输入的信息产生各种控制字。(3) 对DDS芯片写入频率控制字、幅度控制字、相位控制字和模式控制字，产生各种控制信号。C8051F005单片机共有四个8位通用数字接口，分别为P0、P1、P2、P3端口，这些端口既可以定义为对应的I/O端口，又可以分配给内部的任何一个数字资源，具体的配置通过优先权交叉开关译码器来实现。在本设计中，单片机的P1端口作为AD9854的数据线接口，P2端口的低六位作为AD9854的地址线接口,P3端口用作AD9854写时钟信号WRB、读时钟信号RDB、寄存器更新时钟信号UPdata CLK、串/并数据输入选择信号S/P Select、复位信号等的接口。由于C8051F

5、005单片机内部集成了UART控制器，所以只需通过优先权交叉开关译码器把接收管脚RX和发射管脚TX分配到通用I/O端口即可，本设计将TX分配到P0.0管脚，RX被分配到P0.1管脚。串口通讯的波特率可以由单片机内的定时器自由设定。应当指出的是：当使用串口通讯时，单片机的时钟一定要选用外部高稳时钟，而不能使用内部时钟。因为单片机的内部时钟频率会随着外部温度的变化发生漂移，从而引起波特率的变化，导致串口通讯不正常。2.2 DDS电路DDS电路包括AD9854外围电路、低频滤波电路等。AD9854的接口信号主要包括8位数据总线、6位地址线、参考时钟、读写时钟、更新时钟等。各种控制字的输入可以串行输入

6、，也可以并行输入，由S/P Select管脚决定。一般来说使用并行输入相对方便一点，只需对S/P Select管脚输入逻辑高电平即可。在本系统中，数据采用并行输入，在写时钟的上升沿把8位数据锁入到相应的寄存器。另外，频率控制字送到AD9854的数据寄存器后，还必须通过一个更新时钟才能将相应的数据送到相位累加器，成为有效的频率输出。AD9854有两种方式产生更新时钟：一种由芯片内部将时钟分频后自动产生，另一种由外部提供。更新时钟的上升沿把相应的频率控制字送到相位累加器，从而输出所需要的频率信号。AD9854的频率控制字达到48位，当器件的工作时钟频率达到最高300MHz时，输出频率的分辨率仍能达

7、到1mHz，完全能满足一般系统的性能指标要求。另外AD9854的内部还有一个可编程的参考时钟乘法器，乘法器的设置范围为420。当输入10MHz的参考时钟时，器件最高可以工作在200MHz的内部时钟上，使用起来比较方便。当然也可以旁路掉参考时钟乘法器，使器件内部工作时钟直接为参考时钟。2.3 上变频模块上变频模块主要包括AD8346外围电路、接口电路等。AD8346使用时需要较少的外围电路，它的本振频率范围为800M2.5GHz，本振输入幅度要求大于10dB。基带信号的频率范围为DC70MHz，AD8346的控制非常灵活，只要交换I、Q两个通道的输入的基带信号，就可以实现对输出上下边带的取舍。A

8、D8346使用的基本外围电路比较简单，电源供电幅度范围为2.75.5V。但两个供电管脚都必须接100pF和0.01F的去耦电容，而且应尽可能近地放在这两个管脚的旁边。它的ENBL管脚可以调节器件进入休眠状态，此时该管脚的电压应低于0.5V。LO(本振)输入必须AC耦合，最好采用差分驱动；如果采用单端驱动(另一输入脚通过电容接地)，则会略微提高输出信号中LO(本振)信号的功率电平。LO的输入功率要求在-6dBmW-12dBmW之间。理论上最好的输入功率为-10dBmW，高的输入功率会降低线性度；而低的输入功率又将增加输出信号的噪声电平。AD8346的两个基带信号输入通道I和Q必须差分驱动。为了得

9、到理想的性能，差分驱动峰值电压最好达到2V，并直流偏置1.2V。也就是说每一路输入信号的电压摆动范围为0.71.7V。所以利用该器件时，必须解决好基带信号的接口问题。图2为AD8346与AD9854配套使用时的一种典型接口电路，这个匹配电路简单实用。两个信号变压器有三个作用，一是调整输入信号的幅度到合适的水平，二是把输入的单端信号转换成差分信号，三是通过变压器输出端的中间抽头给输出电路提供约1.2V的直流偏置电压，而1.2V的直流偏置由两个二极管产生，简单实用。这样基本上解决了AD8346对输入基带信号的匹配要求。在本设计中，由于AD9854的频率输出范围有限，所以输出频率主要由本振频率决定。

10、AD8346实际输出的信号频率，对本振的抑制比达到了40dB以上，满足了一般仪器的性能需要。在本设计中，只要提供的本振源信号足够好(频率稳定高、相噪低等)，发生器输出的射频信号就可以达到很高的精确度和较低的相位噪声。在笔者的应用中，把该发生器用于模拟带多普勒调制的雷达回波，取得了比较好的效果，可以取得非常精确的频移，产生的信号质量也很高。另外依靠AD9854多种多样的调制信号模式，发生器不但能输出一定频率的正弦波，还能产生各种各样的调制信号，包括AM、FM、ASK、FSK等信号模式，并且控制非常灵活。AD8346作为一种上变频的器件，使用简单方便、性能优良，利用其进行上变频不失为一种较好的频率变化手段。而且，当把它与相应的DDS芯片一起运用时，可以充分发挥出两者优秀的性能。参考文献1 AD8346 0.8GHz-2.5GHz Quadrature Modulator Data Sheets.Analog Devices Inc.， 20052 AD9854 CMOS 300 MSPS Quadrature Complete-DDS Data Sheets. Analog Devices Inc.， 20043 Ana