中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院 宋雁鵬

基于單片機(jī)和DDS的高頻信號源的設(shè)計(jì)

中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院 宋雁鵬

聲光可調(diào)諧濾光器（Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF）與傳統(tǒng)的分光器件（如棱鏡）相比，其分光功能的實(shí)現(xiàn)對信號源具有較高的要求，根據(jù)AOTF對不同頻率高頻信號的響應(yīng)的特點(diǎn)，利用直接數(shù)字頻率合成器（DDS）及單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)在30-250MHz頻段內(nèi)任意頻率，幅值、相位可調(diào)的高頻信號源。該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊、DDS信號發(fā)生模塊、信號濾波電路三部分組成。通過單片機(jī)控制DDS進(jìn)行頻率合成，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電路能夠在30-250MHz范圍內(nèi)任意頻率點(diǎn)處輸出幅度可調(diào)的正弦信號，滿足AOTF工作要求。

AOTF；AD9910；單片機(jī)

1 引言

AOTF要實(shí)現(xiàn)分光作用,需要在其換能器端施加某一固定頻率的高頻信號,當(dāng)該信號與入射到AOTF里的準(zhǔn)直復(fù)色光相互作用,且滿足反常布拉格(Bragg)衍射條件時(shí),AOTF會(huì)衍射出不同波長的光,其光波波長與所施加的信號源頻率一一對應(yīng)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,頻率合成技術(shù)從開始的直接頻率合成DS(Direct Synthesis)逐漸發(fā)展為目前的以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)為代表的第三代頻率合成技術(shù),具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率相位可控、全數(shù)字集成化等特點(diǎn)[2-3]。本系統(tǒng)采用DDS產(chǎn)生高頻信號作為驅(qū)動(dòng)信號源,通過C8051F020單片機(jī)對其進(jìn)行控制,輸出信號頻率分辨率為0.1KHz。

圖1 信號源總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,主要由控制電路模塊、頻率合成模塊和濾波電路模塊等部分組成。通過串口轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的通信。單片機(jī)接收到上位機(jī)下達(dá)的指令后解析,生成所需要的頻率控制字,通過調(diào)整頻率控制字來控制DDS輸出不同頻率的信號。DDS選用AD公司的AD9910芯片,其內(nèi)部時(shí)鐘頻率最高可達(dá)1GHz,最大輸出頻率為400MHz[4]。DDS輸出的信號經(jīng)過低通濾波器LPF后加載到負(fù)載上驅(qū)動(dòng)AOTF進(jìn)行衍射。為了減少由于外部晶振頻率過高引發(fā)的相位噪聲和其他干擾,本方案采用25M溫補(bǔ)晶振作為系統(tǒng)外部時(shí)鐘源,經(jīng)DDS鎖相環(huán)電路倍頻后可得到1GHz的系統(tǒng)時(shí)鐘信號。

2.1 DDS硬件電路設(shè)計(jì)

DDS從相位的角度出發(fā)來進(jìn)行頻率合成,從而在產(chǎn)生不同頻率任意波的同時(shí),對其初始相位也可進(jìn)行調(diào)整。通過對預(yù)先存入內(nèi)部存儲器中的數(shù)字信號進(jìn)行尋址查找后,將該數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、濾波即可形成模擬量波形。DDS的頻率合成主要依靠對其時(shí)鐘參數(shù)的設(shè)置,如圖2所示為AD9910硬件連接圖。為了提高系統(tǒng)最終輸出信號的分辨率,降低干擾,系統(tǒng)中采用了25MHz有源溫補(bǔ)晶振,并通過REF_CLK引腳將外部時(shí)鐘輸入到AD9910,內(nèi)部鎖相環(huán)將晶振25MHz外部時(shí)鐘經(jīng)過40倍倍頻后得到1GHz系統(tǒng)時(shí)鐘。圖2中的R1、C1、C3所構(gòu)成的RC濾波器作為鎖相環(huán)外圍電路,通過設(shè)置不同的值可以得到不同的倍頻倍數(shù),其相關(guān)參數(shù)可由式(1)～(3)得到[4]:

式中M為分頻比,KD為鑒相器增益,KV為VCO增益, fOL為環(huán)路帶寬,為相位余量。

DDS經(jīng)過分頻后輸出信號最大頻率為250MHz,滿足聲光可調(diào)諧濾波器AOTF的工作需求。其后續(xù)DAC輸出信號為差分電流信號,不利于進(jìn)行電路調(diào)試和測量,為此通過50Ω電阻將該電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

系統(tǒng)采用低通橢圓濾波電路,在階數(shù)相同的條件下,橢圓濾波器與其他類型的濾波器相比,其過渡帶更窄,阻帶波動(dòng)更小,考慮到系統(tǒng)最大輸出頻率為250MHz,所設(shè)計(jì)濾波器通帶范圍應(yīng)有一定余量,故設(shè)計(jì)了截至頻率為400MHz的低通橢圓濾波器,如圖3所示,圖4為濾波器頻域仿真結(jié)果。

圖2 AD9910硬件電路

圖5 C8051F020硬件連接圖

圖3 400MHz低通濾波電路

圖4 濾波器頻域仿真結(jié)果

2.2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為一種主流控制芯片,具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在航空航天、家用電器、交通運(yùn)輸?shù)确矫鎇5]。本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī),其指令可與其他類型51單片機(jī)完全兼容,其處理速度普通51單片機(jī)的幾倍;且該單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,可方便的搭建一個(gè)混合信號系統(tǒng);其具備很強(qiáng)的外擴(kuò)能量,可以適應(yīng)I2C、SPI、SMbus等不同總線接口;還具備可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān),方便用戶根據(jù)不同的需求來定義數(shù)字引腳的功能[6-7]。

圖6 單片機(jī)與AD9910連接圖

系統(tǒng)中,將P0.0、P0.1分配給UART0端口,用來接收上位機(jī)傳輸?shù)闹噶?如圖5所示為單片機(jī)外圍電路。圖中U2為串口通信芯片MAX3232,用以實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。將端口P0.2、P0.3、P0.4配置成SPI功能引腳SCK、MISO和MOSI,用來和DDS相連,控制DDS,單片機(jī)與AD9910接口示意圖如圖6所示。

SCLK為串行時(shí)鐘,SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端,SDIO為串行數(shù)據(jù)輸入引腳,單片機(jī)通過串行端口配置DDS內(nèi)部寄存器,控制DDS信號輸出;為串行I/O端口,作為片選信號端,I/O_UPDATA引腳用于啟動(dòng)I/O緩沖器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移,將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡骷行Ъ拇嫫髦? I/O_RESET可為單片機(jī)與DDS通信出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)對I/O復(fù)位;PROFILE0,PROFILE1,PROFILE2為PROFILE選擇引腳,通過選擇這3個(gè)引腳的高低電平選擇8個(gè)PROFILE,但是PROFILE引腳的選擇必須滿足DDS中SYNC_CLK上升沿的建立的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

AD9910的工作模式可分為單頻模式、RAM調(diào)制模式,掃頻模式和并口調(diào)制模式四種。本系統(tǒng)中只需要單一頻率信號,故通過AD9910寄存器將DDS設(shè)置為單頻工作模式。

圖7 軟件流程圖

圖8 125MHz實(shí)測值

如圖7為系統(tǒng)軟件工作流程圖,先對單片機(jī)進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入串口中斷判斷是否收到上位機(jī)發(fā)送的中斷指令,若收到中斷指令,則執(zhí)行中斷服務(wù)程序,并對中斷指令進(jìn)行解析,生成對應(yīng)的頻率控制字和其他控制參數(shù),若沒有收到中斷指令,則返回繼續(xù)判斷,直到收到中斷指令后執(zhí)行下一步。然后將頻率控制字及其他配置參數(shù)送到AD9910的寄存器中進(jìn)行配置,然后產(chǎn)生所需要的波形后,程序返回到等待中斷狀態(tài),繼續(xù)判斷是否接收到下一條中斷指令。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

本系統(tǒng)采用單片機(jī)與DDS來產(chǎn)生特定頻率的信號,其操作簡便,輸出信號穩(wěn)定,頻率轉(zhuǎn)換速率快,輸出頻率范圍為30～250MHz,測試結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。如圖8所示,在125MHz時(shí),輸出信號為680mVpp。所設(shè)計(jì)電路實(shí)物如圖9所示。

圖9 硬件電路實(shí)物

［1］Wang Jianyu,He Zhiping,Shu Rong.Design and applications of space-borne imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filter (AOTF)［C］//SPIE.2010:7857.

［2］李俊,譚秋林,崔永俊,等.基于AD9910的高頻多模式信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù),2012,36(9).

［3］范治田.新型數(shù)字化可編程頻率合成器DDS.［J］現(xiàn)代電子技術(shù),2003,12:26-28.

［4］Analog Devices Inc..AD9910 Datasheet［Z］.2008.

［5］Cygnal Integrated Products,Inc.潘琢金,孫德龍,等譯. C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

［6］ 馮宇清,李秀亮.基于FPGA的寬頻數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)［J］.艦船電子工程,2012,32(7):72-74.

［7］ 王永濤,韓建,牟海維,全星慧.基于單片機(jī)與AD9852的信號源設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表,2006,43(7):39-41.

宋雁鵬（1989—），山西汾陽人，碩士研究生，研究方向：電路檢測與設(shè)計(jì)。