基于AD9958的双通道直接频率合成器的设计_赵云娣

基于AD9958的双通道直接频率合成器的设计赵云娣,杨小献(华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉430074)摘　要　介绍了高性能DDS 器件AD9958的主要特点和内部结构,简单描述了AD9958用作直接频率合成器时输出单频信号的控制方法。

给出了利用89C51系列单片机和AD9858组成的双通道直接频率合成器的设计框图。

结果表明以AD9958作为核心部件设计的双通道直接频率合成器可以对通道间的不均衡进行校正,也能够对多片AD9958实现同步。

关键词　DDS ;AD9958;频率控制字;同步中图分类号　TN74 文献标识码　ADesign of Dual -Channel Direct Frequency SynthesizerBased on DDS Chip AD 9958ZHAO Yun -di ,YANG Xiao -xian(Dep artment of Electr onics and Infor mation Engineering Hu azhong University ofScience and Technology ,W uhan Hubei 430074,China )A bstract The main feature and internal structure of AD9958-namely the high performance DDS chip is introduced and the control method of output single -tone mode by using AD9958as direct frequency synthesizer is described .And the hardware functional block diagram of the double channels DDS source by using AD9858and chip monolithic computer 89C51is provided .The result shows that AD9958can be used to correct imbalances bet ween signals and perform synchronization of multiple devices .Key words DDS ;AD9958;freq uency tunin g word ;synchronization收稿日期:2005-10-180　引言在通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测和电子测量等使用领域,都需要在一个特定的频率范围内使用一系列频率信号。

这时,信号频率的控制和稳定度就显得尤为重要。

直接数字频率合成技术(DDS )研究与发展,有效地解决了信号频率的控制和稳定。

DDS 是从相位概念出发,直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。

主要通过数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率。

具有高速频率转换、高分辨率、高稳定度、低相位噪声以及输出信号易数字式调制等特点[1]。

近年来直接数字合成器(DDS )在高速化和多功能化方面又有了较快的发展,美国Analog Device 公司新近推出的AD9958具有2个内部独立编程的同步输出通道,输出频率可控制范围为0～200MHz ,每通道功耗小于165mW 。

1　AD 9958介绍AD9958是美国Analog Device 公司生产的双通道直接数字频率合成器(DDS ),有2个DDS 核,能够提供2个内部同步、独立编程的输出通道;可进行独立频率、相位和幅度控制;可编程的通道控制,可以对由于模拟处理(例如滤波、放大)或者PCB 布线的失配而产生的外部信号通道的不均衡进行校正,也能够对多通道信号之间的不平衡提供有效的校正控制,实现同步;如果需要增加通道,允许通过菊花链方式连接多片DDS 芯片。

图1　AD9958内部结构图芯片的内部结构如图1所示,它由DDS 核、信号参数控制器、系统时钟、DA 转换器和I /O 缓冲器组成。

芯片可通过设置不同的工作模式实现线性频率/相位/幅度扫描功能。

芯片有两个集成的10位DAC ,形成两路输出;最高电磁场与微波2006年无线电工程第36卷第3期45取样频率可达500MSPS ,内部时钟4倍频至20倍频可编程选择,两路输出的隔离度大于72dB ,有16级频率/相位/幅度调制,32位频率调整分辨率,14位相位失调分辨率,10位输出幅度调整分辨率,各路的频率/相位/幅度都能独立控制,有800Mbps 增强数据吞吐量的串行I /O 口(Ser ial I /O Port -SPI ),内置了多种器件的同步,适用于跳频本地振荡器,相控阵列雷达/声纳系统,仪表的信号源以及同步时钟源。

1.1　DDS 核控制原理AD9958的每个DDS 核由32bit 相位累加器和相位-幅度转换器组成,当相位累加器加参考时钟并且相位增量值(频率调节字)大于零时,在参考时钟的作用下,由相位累加器完成频率累加,通过D /A 转换器得到对应的阶梯型正弦波,最后经过低通滤波器输出得到所需的连续正弦波;相位-幅度转换器将相位信息转换为幅度信息,由正弦或余弦运算器完成。

每一个DDS 通道的输出频率(f o )是相位累加器的函数。

这些精确关系由下面的方程式给定。

①频率控制。

f o =FTW ＊f s232(0≤FTW ≤231)(1)式中,FTW 为频率控制字;f S 为片内时钟。

②相位控制。

=P OW214＊360°(2)式中,POW 为相位控制字。

③幅度控制。

A =A CR210＊V max (3)式中,ACR 为幅度控制字;V max 与芯片外接电阻R SET相关。

1.2　芯片工作模式AD9958有4种工作模式,分别为单频模式(Single -Tone Mode )、调制模式(Modulation Mode )、线性扫描模式(Linear Sweep Mode )和幅度输出控制模式(Output Amplitude Control Mode )。

①单频工作模式。

该模式是芯片复位后默认的工作模式,当设定芯片为单频工作模式,则输出是某一单调频率、幅度和初始相位的正弦波。

两个通道可以独立输出互不相关的两路正弦波。

例如:通道1输出30MHz 、0.5V 、0°的单频正弦波,通道2输出60MHz 、0.3V 、90°单频正弦波。

②调制模式。

在调制模式下,根据配置寄存器的选择,可以自动输出2-/4-/8-/16-级调频,调幅或调相波。

每个通道可以单独配置,可通过芯片管脚实时选择调制波的输出频率或幅度或相位。

例如:通道1输出4级调频波,4个频点可以分别为20MHz ,60MHz ,100MHz ,150MHz ;通道2输出2级调幅波,两级幅度值分别为0.8V ,0.1V 。

③线性扫描模式。

在线性扫描模式下,每个通道可以独立输出扫频(扫幅或扫相)波,并可以设置相应的扫描起点和扫描终点。

例如,通道1输出线性扫频波,起始频率和终止频率分别为30MHz ,80MHz ;通道2输出线性扫相波,起始相位和终止相位分别为30°,80°。

④幅度输出控制模式。

此模式有2种:手动控制和自动控制。

在手动控制下,信号可以乘以一个固定幅度缩放因子后再输出;在自动控制模式下,信号可以乘以一个随时间线性变化(增大或减小)的缩放因子再输出。

在单频、调制、线性扫描模式下的波形可以直接输出或再加入一级幅度控制输出。

例如,通道1输出幅度恒定的调频波。

通道2输出幅度线性递增(递减或先递增再递减)的调相波。

1.3　控制字写入方式芯片的输出模式可以通过配置寄存器和外部管脚来设置,FTW ,POW ,ACR 分别为频率、相位、幅度的控制字,可以通过SPI 口设置通道选择寄存器———CSR ,芯片复位后第一个数据默认送到CSR 寄存器,通过CSR 寄存器可以选择后续数据的写入地址(A4-A0)。

1.4　部分引脚功能C H0IOUT :通道0输出(电流输出);C H1IOUT :通道1输出(电流输出);SCLK :通信端口时钟(SPI 口时钟管脚);SDIO 0:通信端口数据(SPI 口数据脚);SDI O 1,SDIO 2,SDIO 3:既可以作数据端口,也可以作为外部配置管脚,配置DAC 的输出模式;P0,P1,P2,P3配置管脚:用来改变调频/调相/调幅模式,可用来配置CH0,CH1通道(每个通道用2个管脚),或只针对其中一个通道(4个管脚都用)。

2　双通道直接频率合成器利用89C51系列单片机和AD9858组成的双通道直接频率合成器如图2所示,参考时钟采用20MHz(下转第50页)46　2006Radio Engineering Vo1.36No .3采用金属环调整匹配的端口隔离度最差为15dB 。

对于同轴馈源coax1和coax2,同轴波导信号耦合器是相同的。

同轴波导信号耦合器前端连接同轴匹配负载,从正交模耦合器输出端口测得的电压驻波比线极化时<1.43∶1,圆极化时<1.28∶1。

同轴波导信号耦合器前端连接同轴辐射器,组成coax1馈源时,测得的电压驻波比线极化时<1.72∶1,圆极化时<1.34∶1,轴比<1.22∶1;组成coax2馈源时,电压驻波比线极化时<1.78∶1,圆极化时<1.30∶1,轴比<1.21∶1。

从对coax1与coax2电压驻波比的测试结果可知,依据对同轴辐射器匹配仿真结果确定的匹配调整金属环的大小和位置与实际调试结果是基本一致的,所以对于同轴馈源的同轴辐射器匹配调整,可以依据仿真来确定金属环的大小和位置。

4　结束语同轴馈源辐射方向图波束展宽和波束等化可以通过在同轴馈源口面加金属环和在同轴馈源外壁加波纹槽来实现,同轴馈源辐射方向图的仿真结果与实测方向图基本一致。

同轴馈源的同轴辐射器的匹配调整可以采用一组与内导体同轴排列的金属环来实现,而矩形波导—同轴波导信号耦合器耦合缝前端的金属匹配环,不但可以调整同轴波导与矩形波导转换之间的匹配,还可以提高馈源正交输出端口隔离度,降低天线效率损失,减小极化干扰。

对同轴辐射器匹配仿真确定的金属匹配环的大小和位置,与实际调试确定的结果基本一致。

参考文献[1]OLVER A D ,ClARRICOATS P J B ,KISHK A A ,SHAFAI L .Microwave Horns and Feeds [M ].New York :The Institute of Electrical and Electronics Engineers ,1994.[2]KRAUS L A ,PROPERA C E .A Technique for Obtainin gPattern Symmetry and Low Sidelobes from a TE11Mode Coaxial Radiator [J ].IEEE Trans .,1977,AP -25:365-369.[3]TREVOR S .B ,GRAE ME L J ,STEPHE N J .Input Mismatch ofTE11Mode Coaxial Waveguide Feeds [J ].IEEE Trans .,1986,AP -34:1030-1033.[4]CHAN K C .利用史密斯圆图设计匹配网络[J ].无线电工程,2001,30(12):51-53.作者简介王俊义　男,(1962-),中国电子科技集团公司第54研究所,硕士,高级工程师。