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用PIC單片機(jī)控制DDS芯片AD9852實(shí)現(xiàn)雷達(dá)跳頻系統(tǒng)
摘要：DDS具有分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn)。在一些需要高頻分辨率、設(shè)置轉(zhuǎn)換度的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是雷達(dá)及通信系統(tǒng)中的跳頻信號(hào)源中，DDS技術(shù)具有其它頻率合成方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。介紹了DDS的基本原理及DDS芯片功能特點(diǎn)以及DDS芯片AD9852的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，并采用PIC單片機(jī)控制AD9852，實(shí)現(xiàn)了跳頻頻率合成器。關(guān)鍵詞：DDS頻率分辨率轉(zhuǎn)換速度頻率合成PIC單片機(jī)
在研制雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，常常需要應(yīng)用頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)源。頻率合成是指從一個(gè)高穩(wěn)定的參考頻率，經(jīng)過(guò)各種技術(shù)處理，生成一系列穩(wěn)定的頻率輸出�，F(xiàn)在應(yīng)用最廣的是鎖相環(huán)（PLL）頻率合成技術(shù)，它是通過(guò)變化PLL中的分頻比N來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的跳頻的，但無(wú)法避免縮短環(huán)路鎖定時(shí)間與提高頻率分辨率的矛盾，因此很難同時(shí)滿足高速和高精確度的要求。直接數(shù)字式頻率合成（DDS）是近年發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成技術(shù)。它將先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理理論與方法引入頻率合成領(lǐng)域，是繼直接頻率合成（DS）和間接頻率合成（IS）之后的第三代頻率合成技術(shù)。DDS的優(yōu)點(diǎn)是：相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短（ns級(jí)），頻率分辨率很高（可達(dá)μHz），全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。因此能夠與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用單片機(jī)來(lái)代替計(jì)算機(jī)對(duì)DDS芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)合成頻率的輸出。因此在很短的時(shí)間內(nèi)，DDS得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
1DDS的基本原理
DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)的合成技術(shù)。正弦輸出的DDS的原理框圖如圖1所示。相位累加器在A位頻率控制字FCW的控制下，以參考時(shí)鐘頻率fc為采樣率，產(chǎn)生待合成信號(hào)相位的數(shù)字線性序列。將其高P位作為地址碼，通過(guò)查詢正弦表ROM，產(chǎn)生S位對(duì)應(yīng)信號(hào)波形的數(shù)字序列S（n），再由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）將其轉(zhuǎn)化為階梯模擬電壓波形S（t），最后由低通濾波器LPF平滑為正弦波輸出。
頻率控制字FCW和時(shí)鐘頻率fc共同決定了DDS輸出信號(hào)的頻率f0，它們之間的關(guān)系滿足：
f0=(FCW/2A)·fc（1）
所以，在DDS結(jié)構(gòu)及fc確定的前提下，通過(guò)FCW的控制就可以方便地控制輸出頻率f0。其頻率分辨率為：
f=f0min=fc/2N（2）
按照Naquist準(zhǔn)則，最高輸出頻率可達(dá)0.5fc。但考慮到實(shí)際低通濾波器的限制，最高輸出頻率一般為0.4fc。
由于DAC非線性作用的存在，使得查表所得的幅度序列從DAC的輸入到輸出要經(jīng)過(guò)一個(gè)非線性過(guò)程。于就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)f0的諧波分量。又因?yàn)镈DS是一個(gè)采樣系統(tǒng)，所以這些諧波會(huì)fc為周期搬移，即：
f=μfc±vf0(3)
其中，u、v為任意整數(shù)。它們落到Nyquist帶寬內(nèi)就形成了有害的雜散頻率，頻率的位置可以確定，但幅度難以確定。所以在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮輸出頻帶，注意避免上述雜散分量落入其中，以此來(lái)獲得較好的雜散指標(biāo)。
2DDS芯片介紹
DDS的諸多優(yōu)點(diǎn)使它得到了非常廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字調(diào)制方面，它可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)FSK、QPSK、8PSK等調(diào)制。在轉(zhuǎn)達(dá)頻率源方面，它可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、窄步長(zhǎng)、高相噪的點(diǎn)頻輸出的頻率源以及線性調(diào)頻輸出頻率源。在擴(kuò)頻通信方面，它可實(shí)現(xiàn)CDMA工作方式以及多種規(guī)律的跳頻模式。
現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時(shí)鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時(shí)間為0.1μs；美國(guó)AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850、AD9851、可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調(diào)制器AD9853、數(shù)字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的產(chǎn)品全部?jī)?nèi)置了D/A變換器，稱(chēng)為Complete-DDS。其中，AD9852時(shí)鐘頻率為300MHz，近端雜散抑制優(yōu)于-80dBc，遠(yuǎn)端優(yōu)于-48dBc，相位噪聲為148dBc/Hz@10kHz，頻率跳變速度為130ns，頻率分辨率為1μHz。
AD9852主要由48位的頻率寄存器、48位相位累加
器、正（余）弦查詢表（帶正交輸出）、幅度調(diào)制寄存器、乘法器和12位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
AD9852可以實(shí)現(xiàn)單頻、FSK、Chirp、FMChirp、BPSK等多種輸出形式。用其中的Chirp模式和FSK模式可以方便地實(shí)現(xiàn)跳頻功能，滿足雷達(dá)跳頻系統(tǒng)的要求。使用時(shí)只要初始化DDS，設(shè)定跳頻持續(xù)時(shí)間和跳頻間隔時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳頻。這比以往的DDS芯片如AD9850要方便得多。
AD9852的管腳分為三部分：（1）數(shù)據(jù)及控制端口；（2）電源部分；（3）參考及輸出部分。
由于AD9852是目前市場(chǎng)上性價(jià)比較高的DDS器件之一，而且AD9852具有線性調(diào)頻功能，可以方便實(shí)現(xiàn)頻率的跳變。所以在雷達(dá)跳頻系統(tǒng)中最終采用了AD9852芯片。下面就該芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)做一簡(jiǎn)要介紹。
3頻率合成器的設(shè)計(jì)
要讓AD9852工作，需要按下列流程初始化：
（1）數(shù)據(jù)在WR信號(hào)控制下從并行輸入口D0～D1寫(xiě)入48位并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATA寫(xiě)入48位串行寄存器。
（2）對(duì)S/PSELECT置1或置0以決定輸入數(shù)據(jù)是并行還是串行。1為并行，0為串行。
�。�3）AD9852芯片內(nèi)部不帶帶通濾波器，所以外圍電路中應(yīng)該實(shí)際工作需要外接帶通濾波器，濾除不需要的頻率分量。
利用一片AD9852及簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)頻率合成器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
根據(jù)我在設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，有以下幾個(gè)問(wèn)題需要注意。
3.1單片機(jī)的選擇
因?yàn)锳D9852是3.3V系統(tǒng)，所以必須選擇可以工作在3.3V的單片機(jī)。設(shè)計(jì)之初，忽略了這個(gè)問(wèn)題，選用了普通51系列芯片，因?yàn)槠漭敵鲭娖街荒転?V，高于3.3V，DDS芯片因此被損壞。所打算采用51系列，但因?yàn)槠湓谑袌?chǎng)上很難買(mǎi)到，所以最終采用了Microchip公司的PIC系列單片機(jī)PIC16F874。該單片機(jī)可以工作在2.2～5.5V的范圍內(nèi)。又考慮到設(shè)計(jì)要求的高速控制，PIC16F874單片機(jī)的速度是51系列的3倍，所以PIC16F874單片機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.2單片機(jī)的外圍電路
DDS的工作電壓是3.3V,而PIC的掉電復(fù)位電壓是4.5V，所以PIC單片機(jī)的外圍電路需要使用上電復(fù)位模式。
3.3要避開(kāi)DDS雜散較大的輸出頻點(diǎn)
在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些點(diǎn)的雜散信號(hào)很大，而且離主頻很近，無(wú)法去除。所以應(yīng)該避免輸出這些頻點(diǎn)。這些頻點(diǎn)為靠近fc/3、fc/4、fc/5、fc/6……的頻點(diǎn)。
3.4去耦
在一個(gè)電子系統(tǒng)中，通常多個(gè)器件共用一個(gè)電源。而電源線給交流信號(hào)提供了一個(gè)通路，使得交流信號(hào)通過(guò)電源線在器件之間傳輸，形成了干擾。所以必須在器件之間和電源到器件之間的電源線上加入濾波部分，濾掉交流干擾，稱(chēng)為去耦。電源的去耦通常用幾個(gè)并聯(lián)電容和串聯(lián)電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。
3.5接地
接地可以分為單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。一般認(rèn)為，連線長(zhǎng)度大于信號(hào)波長(zhǎng)的二十分之一時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地；反之，則采用單點(diǎn)接地。
實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接地就要在PCB板上布出一個(gè)面積較大地接地面，此接地面又與接大地的屏蔽外殼大面積接觸。這樣整個(gè)地的阻抗很小，電位可以認(rèn)為是一致的，各器件就近接地，就避免了在線上形成干擾。
在數(shù)模混和的電路中，由于數(shù)字部分干擾源很多，所以模擬部分易受影響。因此要注意把模擬地和數(shù)字地分開(kāi)。一般的方法是用一根線來(lái)連接數(shù)字地和模擬地，而且只在一處相連，這樣就可以較好地切斷數(shù)字部分的干擾源。
圖4頻率合成器的原理圖
3.6充分利用DDS的sweetpots
如前所述，在DDS中，其相位累加器的位數(shù)為A，但用來(lái)查詢正弦表的位數(shù)只有其高P位，剩下的就四舍王入丟棄了，這樣做會(huì)產(chǎn)生一種相位截?cái)嗾`差。但是如果相位累加器中的A-P位恰好為0，其輸出頻點(diǎn)的特性就會(huì)比較好，這就是所謂的“sweetpots”。所以在DDS單點(diǎn)輸出時(shí)，使DDS盡量在sweetpots頻點(diǎn)輸出，可以達(dá)到優(yōu)化輸出特性的目的。
3.7DDS參考信號(hào)輸入端的注意事項(xiàng)
由于采用了參考信號(hào)單端輸入的方式，所以REFCLKB端應(yīng)該接地或電源；參考信號(hào)輸入端REFCLK要跟電源相連接。因?yàn)镈DS的參考信號(hào)要求有1.6V的直流電平，在參考信號(hào)輸入到REFCLK端的端點(diǎn)處，應(yīng)接一個(gè)5.1kΩ的電阻到3.3V直流電源，同時(shí)接一個(gè)0～10kΩ的可變電阻
�。ù颂幦�5kΩ）到100Ω的電阻，經(jīng)過(guò)電阻分壓，REFCLK端就有1.6V的直流電壓。這個(gè)0～10kΩ的可調(diào)電阻同時(shí)用來(lái)微調(diào)REFCLK端對(duì)地的電阻，以調(diào)節(jié)REFCLK的直流電位，具體情況請(qǐng)參看圖4。圖4中的II形濾波部分是為了濾除電源對(duì)REFCLK端的干擾。該頻率合成器原理圖如圖4所示。
檢驗(yàn)證明，利用AD9852設(shè)計(jì)的頻率合成器具有跳頻速度快、頻率分辨率高、體積小、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。因此它有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
DDS除了用于跳頻系統(tǒng)中外，還可以用于任意波形產(chǎn)生、信號(hào)調(diào)制等。隨著高速集成電路的飛速發(fā)展，DDS必將開(kāi)拓更多新的應(yīng)用領(lǐng)域。
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