劉明成，劉瑞安

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

基于AD9852多模式信號(hào)的應(yīng)用研究

劉明成，劉瑞安

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

針對(duì)DDS器件AD9852的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了通過(guò)AVR單片機(jī)ATmega128控制AD9852芯片實(shí)現(xiàn)的程控信號(hào)源電路，并對(duì)ATmega128與AD9852之間的硬件接口電路以及軟件功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹.通過(guò)此設(shè)計(jì)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源輸出頻率、相位和AD9852各種模式的控制，使之能輸出高穩(wěn)定度、高分辨率和多模式的信號(hào).

DDS技術(shù)；AD9852；ATmega128；多模式

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS（Direct Digital Synthesis，DDS）是一種新的頻率合成方法，它采用全數(shù)字技術(shù)，一般由相位累加器、相位幅度轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，具有頻率分辨率高、穩(wěn)定度高、頻率轉(zhuǎn)化速度快、相位噪聲低和易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代民用無(wú)線通信系統(tǒng)、雷達(dá)和現(xiàn)代化儀器儀表等多個(gè)領(lǐng)域［1］.

AD985X系列DDS器件不僅具備高性能，還是ADI公司較早推出的、認(rèn)知度較高的產(chǎn)品，該系列所有成員的輸出均無(wú)雜散，動(dòng)態(tài)范圍較廣，控制接口除AD9857外均為串行和并行2種，除少數(shù)幾個(gè)產(chǎn)品外，都可以實(shí)現(xiàn)方波輸出.該系列大部分產(chǎn)品都具有多種調(diào)相或調(diào)頻功能，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域.利用AD9852芯片實(shí)現(xiàn)頻率波形綜合器突出體現(xiàn)了直接數(shù)字頻率合成器頻率分辨率高（可達(dá)到10～6 Hz）、頻率轉(zhuǎn)換速度快（可達(dá)到納秒級(jí)）和輸出頻譜純等特點(diǎn)，還可以控制其調(diào)幅、調(diào)相和（非）線性調(diào)頻，產(chǎn)生多種復(fù)雜波形信號(hào).該芯片輸出頻率為0～120 MHz，開(kāi)展多種模式下AD9852信號(hào)生成的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究可以利用1個(gè)AD9852芯片分時(shí)產(chǎn)生不同模式的信號(hào)，為無(wú)線通信領(lǐng)域應(yīng)用DDS技術(shù)提供一個(gè)良好的技術(shù)平臺(tái).

1 AD9852的主要功能特點(diǎn)

AD9852是采用先進(jìn)的DDS技術(shù)開(kāi)發(fā)的高集成度DDS器件，內(nèi)置高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器高速比較器，可作為數(shù)字編程控制的頻率合成器，產(chǎn)生120 MHz的模擬正弦波.AD9852內(nèi)含1 024×32靜態(tài)RAM，利用該RAM可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，并支持多種掃頻模式.同時(shí)，AD9852可提供自定義的線性掃頻操作模式，通過(guò)AD9852的串行I／O口輸入控制字，實(shí)現(xiàn)快速變頻，且具有良好的頻率分辨率.目前，AD9852芯片的應(yīng)用范圍包括靈敏頻率合成器、可編程時(shí)鐘發(fā)生器、雷達(dá)和掃描系統(tǒng)的FM調(diào)制源以及測(cè)試和測(cè)量裝置等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］.

圖1 AD9852的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Internal function block diagram of AD9852

2 程控信號(hào)源設(shè)計(jì)

整個(gè)電路設(shè)計(jì)采用了ATMEL公司研發(fā)的RISC（Reduced Instruction Set Computer，RISC）精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)ATmega128，如圖2所示，利用ATmega128對(duì)芯片AD9852、按鍵輸入控制電路和頻率顯示電路進(jìn)行控制.AD9852的數(shù)據(jù)輸入方式分為并行方式和串行方式2種，本研究的電路設(shè)計(jì)采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式將各種控制字（數(shù)據(jù)）輸送到AD9852的內(nèi)部控制寄存器.

圖2 ATmega128控制AD9852的電路設(shè)計(jì)圖Figure 2 Circuit design of AD9852 controlled by ATmega128

由于ATmega 128的工作電壓為＋5 V，而AD9852的工作電壓為＋3.3 V，兩者的引腳不可直接相連，因此，ATmega128與AD9852之間的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸需要通過(guò)SN54LVTH162245進(jìn)行信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)需要利用SPX1117低壓差穩(wěn)壓器把＋5 V供電電壓轉(zhuǎn)換為AD9852需要的＋3.3 V 電源電壓［3］.

頻率顯示電路的設(shè)計(jì)主要是由LCD液晶顯示器組成.液晶顯示器采用凌陽(yáng)科技的SPLC501芯片作為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)和控制器，屬于128×64點(diǎn)陣圖形液晶顯示器.以ATmega128的PE口的8根I／O線作為數(shù)據(jù)傳送端口，采用并行輸入方式傳送數(shù)據(jù)和字符，以ATmega128的PF0～PF3口的4根I／O線控制芯片SPLC501的讀、寫(xiě)等端口.

ATmega 128控制AD9852的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要輸入頻率數(shù)值和相位數(shù)值，同時(shí)需要具有輸入出錯(cuò)時(shí)的糾錯(cuò)、刪除和AD9852的工作模擬選擇等按鍵功能，所以根據(jù)鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)的按鍵功能分配，按鍵控制電路至少需要二十幾個(gè)鍵.本研究根據(jù)信號(hào)源電路I／O口的分配情況，采用4×8的矩陣式鍵盤(pán)輸入方式［4］，利用鍵盤(pán)查詢方式判斷并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能.

3 數(shù)據(jù)傳輸中需要注意的問(wèn)題

用ATmega 128實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9852的控制就必須能對(duì)AD9852的40個(gè)8位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新修改和寫(xiě)入.特別是AD9852中地址為1D～20（并行地址）的寄存器（控制寄存器），在這組控制寄存器中，1F寄存器的0～4位為時(shí)鐘乘法器倍數(shù)控制字，要實(shí)現(xiàn)300 MHz的工作時(shí)鐘頻率，且外部參考時(shí)鐘選擇30 MHz，就必須按要求在上述5位寫(xiě)入01010（×10倍），使AD9852時(shí)鐘頻率達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而要選擇AD9852的FSK工作模式，就要在20H寄存器中的1～3位寫(xiě)入001，才能使AD9852按照既定的模式正常工作［5］；此外還要注意1D寄存器幾個(gè)掉電選擇控制位的重新設(shè)計(jì).

如果AD9852相位累加器的位數(shù)為N，相位控制字的值為F N，頻率控制字的位數(shù)為M，頻率控制字的值為F M，系統(tǒng)外部參考時(shí)鐘頻率為30 MHz，10倍參考時(shí)鐘倍乘器使能，那么經(jīng)過(guò)內(nèi)部10倍參考時(shí)鐘倍乘器后，可以得到AD9852內(nèi)部工作時(shí)鐘FC為300 MHz，此時(shí)最終合成信號(hào)的頻率由公式（1）來(lái)決定，合成信號(hào)的相位由公式（2）來(lái)決定［6］：

當(dāng)AD9852的參考時(shí)鐘頻率為300 MHz時(shí)，其頻率分辨率接近300×106／248＝1×10－6Hz，相位控制精度為360／214＝0.022°，幅度控制范圍為20log212＝72 dB.AD9852具有48位頻率累加器，要得到精確的頻率輸出，還要對(duì)AD9852的04～09和0A～0F（并行）地址的頻率寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的正確數(shù)據(jù)，與十進(jìn)制頻率數(shù)值相對(duì)應(yīng)的48位二進(jìn)制數(shù)據(jù)按式（1）計(jì)算，相位數(shù)據(jù)輸入按式（2）計(jì)算.只有寫(xiě)入了正確的頻率和相位控制字才能使信號(hào)源輸出符合要求的精確波形信號(hào)［7］.

當(dāng)AD9852時(shí)鐘乘法器的倍數(shù)選擇過(guò)大時(shí)，芯片AD9852可能會(huì)出現(xiàn)因時(shí)鐘頻率過(guò)高而導(dǎo)致的芯片過(guò)熱現(xiàn)象，因此，為安全起見(jiàn)要適時(shí)降低時(shí)鐘乘法器的倍頻數(shù)值.改變時(shí)鐘頻率FC需要對(duì)鍵盤(pán)輸入的頻率和相位數(shù)值（十進(jìn)制）按更改后的時(shí)鐘頻率FC進(jìn)行重新計(jì)算，并轉(zhuǎn)換成新的48位頻率和相位控制字，重新寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的寄存器.

4 AD9852幾種模式信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

4.1 AD9852調(diào)幅波（AM）的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)AD9852置于單調(diào)模式（Single Tone—000模式）時(shí)［3］，即將AD9852內(nèi)部控制寄存器中（串行地址07 H）第9，10和11位數(shù)據(jù)置0，同時(shí)將內(nèi)部控制寄存器第5和第4位數(shù)據(jù)置1，輸出的信號(hào)頻率將以串行地址02 H的數(shù)據(jù)值輸出，而對(duì)AD9852的30引腳（SHAPED—KEYING）輸入另一正弦波控制信號(hào)（500 Hz），則信號(hào)輸出為如圖3所示的調(diào)幅波（AM）信號(hào).其中，AD9852內(nèi)部控制寄存器中的第5位數(shù)據(jù)為Shaped—Keying使能位，第4位數(shù)據(jù)為內(nèi)、外部Shaped—Keying選擇位.

圖3 AD9852的調(diào)幅波（AM）Figure 3 AM signal of AD9852

4.2 AD9852—FSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)AD9852的工作模式置于無(wú)過(guò)渡頻移鍵控模式（Unramped FSK—001模式）時(shí)，即AD9852內(nèi)部控制寄存器中（串行地址07 H）第9，10和11位數(shù)據(jù)置于001，且AD9852的29引腳（FSK／BPSK／HOLD）輸入一正弦波控制信號(hào)時(shí)，信號(hào)輸出為如圖4所示的FSK模式信號(hào).其中，AD9852內(nèi)部頻率寄存器中（串行地址02H和03H）分別寫(xiě)入了不同的頻率數(shù)據(jù)（F1和F2）.

圖4 AD9852的FSK信號(hào)Figure 4 FSK signal of AD9852

4.3 AD9852—BPSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)AD9852置于兩點(diǎn)相移鍵控模式（BPSK—00模式）時(shí)，即AD9852內(nèi)部控制寄存器（串行地址07H）第9，10和11位數(shù)據(jù)置于100，而AD9852的29引腳（FSK／BPSK／HOLD）輸入一正弦波控制信號(hào)時(shí)，信號(hào)輸出為如圖5所示的BPSK模式信號(hào).其中，AD9852內(nèi)部相位寄存器中（串行地址00 H和01H）分別寫(xiě)入了不同的相位數(shù)據(jù)（P1和P2）.

圖5 AD9852的BPSK信號(hào)Figure 5 BPSK signal of AD9852

5 結(jié)束語(yǔ)

DDS是一種全新的頻率合成方法，將DDS技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)源是DDS應(yīng)用的一個(gè)重要方面.本研究針對(duì)DDS器件AD9852的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了通過(guò)AVR單片機(jī)ATmega128控制AD9852芯片實(shí)現(xiàn)的程控信號(hào)源電路，在設(shè)計(jì)電路中，通過(guò)示波器觀察，可以看到清晰的波形，通過(guò)人工控制信號(hào)輸入，可以看到不同的穩(wěn)定波形，輸出的多模式信號(hào)可以廣泛地應(yīng)用于通信、頻標(biāo)、雷達(dá)和宇航等方面［8］，隨著DDS技術(shù)的不斷發(fā)展，它將會(huì)在許多新的領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用.

［1］ 聶海霞，廖文帥.AD985X系列DDS器件及其應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003（10）：90－91.

［2］ 許加楓，劉抒珍，劉小紅.高性能DDS芯片AD9854及其應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2004（11）：23－26.

［3］ 劉明成，孫景瑞，武津城.基于DDS芯片的信號(hào)源應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.天 津 師 范 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)：自 然 科 學(xué) 版，2008，28（4）：66－68.

［4］ 王永濤，韓建，牟海維，等.基于單片機(jī)與AD9852的信號(hào)源設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2006（7）：39－41.

［5］ 張園.用DDS器件形成多種信號(hào)［J］.電子工程師，2005（8）：39－41.

［6］ 李躍峰.AD9852的應(yīng)用［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2000（12）：7－16.

［7］ 潘炳松，許明，潘錦.DDS芯片AD9852及其應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2002（4）：46－48.

［8］ 杜紅，祖靜.直接數(shù)字頻率合成器AD9852的原理及應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005（9）：248－249.

Study and application of multi－mold signal based on AD9852

LIUMingcheng，LIURui'an

（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

AD9852's functions and features are described，and the design circuit of signal generator controlled by ATmega128 and AD9852 is introduced as well as the circuit realization of software and hardware between AT－mega128 and AD9852.From the perspective of the real working effects of the circuit design，the output wave is satisfied with the demand of high stability，high precision and multi－mold signal.

DDS technology；AD9852；ATmega128；multi－mold signal

TN742.1

A

1671－1114（2011）03－0059－04

2011－02－01

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（09JCYBJC00100）.

劉明成（1968—），男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事通信與信息系統(tǒng)方面的研究.

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）