基于AD9911頻率源的設計與實現(xiàn)

摘要 設計了一種由單片機PIC18LF4520控制DDS芯片AD9911的頻率源電路。闡述了單片機控制DDS的軟硬件實現(xiàn)方法，以及AD9911內(nèi)部寄存器的配置要點。系統(tǒng)設計外圍電路簡單，可方便地實現(xiàn)對頻率源電路輸出頻率、相位和工作模式的控制，輸出信號頻率范圍為25～75 MHz。實驗結果表明，該頻率源具有輸出頻率精確、頻率分辨率高和相位噪聲低等特點，符合通信系統(tǒng)對頻率源的設計要求。

頻率源是通信、雷達、儀器、空間電子設備和電視等電子系統(tǒng)的核心，其性能直接影響電子系統(tǒng)的性能指標。捷變頻、低相位噪聲、寬頻帶以及高頻率分辨率是頻率合成器的研究熱點，直接數(shù)字頻率合成(DDS)正是在這種背景下發(fā)展起來的。DDS具有以下優(yōu)勢：在完全數(shù)字控制下，DDS可以實現(xiàn)輸出信號極小的頻率分辨率和相位分辨率，并且具有快捷的切換速度;DDS的數(shù)字架構消除了以往模擬頻率合成器方案中的手動調(diào)整以及與其相關的元件老化和溫度漂移;DDS的數(shù)字控制接口使得系統(tǒng)可以在處理器的控制下方便地進行遠程控制和微小優(yōu)化;用作正交合成器時，DDS能對I/Q合成輸出提供極好的匹配和控制。目前，DDS芯片集成了多種功能，無論用于通信，抑或測試設備和雷達系統(tǒng)，都是理想而靈活的頻率合成器解決方案。

文中基于ADI公司的AD9911芯片提出了一種單片機+DDS的頻率合成方案，輸出頻率范圍25～75 MHz，頻率步進10 kHz，相位噪聲優(yōu)于100 dBc/Hz@10 kHz。

1 AD9911簡介

AD9911是ADI公司推出的一款單片DDS芯片，系統(tǒng)時鐘頻率500 MHz，采用0.35μm CMOS工藝，僅需1.8 V的供電即可輸出高達250 MHz的同步正交信號。AD9911內(nèi)部集成一個DDS主通道和3個副通道、一個10位電流型DAC、一個4～20倍可編程參考時鐘倍乘器(PLL)以及多種控制寄存器。AD9911具有單音、多音、Test-tone和多器件同步等工作模式，可完成最高16級的Shift Keying調(diào)制，支持頻率、相位和幅度線性掃描。AD9911是ADI公司第一款應用SpurKiller專利技術的DDS芯片。AD9911的I/O端口具有4種工作模式且SPI兼容。

2 單片機控制AD9911的具體實現(xiàn)

采用Microchip公司的PIC18LF4520單片機控制AD9911，封裝選擇適合射頻電路使用且節(jié)省空間的TQFP-44。PIC18LF4520具有以下優(yōu)點：寬工作電壓(2.0～5.5 V)能夠符合DDS芯片I/O端口額定電壓要求;內(nèi)部豐富的硬件資源和36個I/O引腳可實現(xiàn)對DDS芯片的靈活控制;最高40MHz的時鐘頻率使得系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理速度;支持在線串行編程(ICSP)和在線調(diào)試，節(jié)省了軟件設計和調(diào)試時間。

PIC18LF4520與AD9911的外圍電路簡單，節(jié)省了硬件電路設計和調(diào)試時間，如圖1所示。使用PIC18LF4520的GPIO為AD9911提供控制信號以及模擬兩者之間的SPI通信。MASTER_RESET用于復位AD9911，CS為片選信號，SDIO_O是數(shù)據(jù)傳輸，SCLK為數(shù)據(jù)傳輸控制時鐘，I/O_UPDATE為AD9911片內(nèi)寄存器狀態(tài)更新使能。系統(tǒng)設計未使用多個AD9911芯片，所以將多器件同步引腳Pin1和Pin2懸空。

配置AD9911片內(nèi)寄存器，AD9911內(nèi)部共有25個寄存器，地址為0X00～0X18。用戶通過配置寄存器的值選擇AD9911的工作模式，設置輸出信號的頻率、相位和幅度等。

首先需要設置系統(tǒng)時鐘模式，AD9911外部采用100 MHz恒溫晶振輸出作為參考信號，使用芯片內(nèi)PLL將參考信號倍頻到500 MHz作為系統(tǒng)時鐘，與PLL相關的控制位在寄存器FR1(0X01)。單音工作模式下，需要使能DDS主通道而禁用DDS副通道，相關控制位在寄存器CSR(0X00)，I/O端口工作模式也在該寄存器設置。單音模式下頻率控制字、相位控制字分別由寄存器CTW0(0X04)和CPOW0(0X05)控制。CTW0是一個32位的寄存器，當系統(tǒng)時鐘頻率為500 MHz時，該寄存器可控制頻率范圍為0～250 MHz，可實現(xiàn)最小分辨率為0.116 Hz。由于對輸出信號相位無特殊要求，寄存器CPOW0保持默認值即可。輸出信號幅度控制主要在寄存器ACR(0X06)設置，在此也保持默認值。

AD9911內(nèi)部參考時鐘輸入電路、DAC和DDS主副通道數(shù)字邏輯電路可以通過配置相應的控制位分別關斷，AD9911將進入低功耗工作模式，相關控制位在寄存器FR1(0X01)和CFR(0X03)。單片機對AD9911進行寫操作時，需要注意芯片I/O端口通信的時序要求，如圖2和表1所示。在所有寫寄存器操作完成后，需要在I/O_UPDATE引腳送入一個高電平以使寄存器內(nèi)容更新，最小脈沖寬度為系統(tǒng)時鐘周期的4倍。

3 單片機控制AD9911軟件設計

在MPLAB X IDE下建立工程，編譯器選擇MPLAB C18 C語言編譯器，使用PICkit 2編程器對單片機進行編程和在線調(diào)試，軟件設計流程如圖3所示。

由軟件設計流程可以看出，AD9911主要工作在單音模式和低功耗模式。AD9911初始化后，芯片默認進入單音模式并輸出一個默認頻率信號，AD9911接下來的工作模式由單片機從上位機接收的數(shù)據(jù)決定。軟件設計中的不同功能模塊均定義了相關函數(shù)來實現(xiàn)，單片機與上位機之間采用UART通信，單片機使用中斷處理接收到的數(shù)據(jù)。

軟件設計的重點在于寫寄存器函數(shù)的編寫，即使用PIC18LF4520的GPIO通過軟件模擬出SPI串口。如圖2所示，串行數(shù)據(jù)在SCLK上升沿寫入，另外單片機和AD9911之間數(shù)據(jù)通信采用兩線模式，CS為片選，所以定義單片機GPIO引腳RC3為串行數(shù)據(jù)輸出SDO，RD0為控制時鐘SCLK，RD1為片選信號CS。模擬SPI過程如下：首先拉低CS，在SCLK產(chǎn)生一個上升沿，SDO輸出串行數(shù)據(jù)最高位bil7，然后拉低SCLK，串行數(shù)據(jù)左移一位，再拉高SCLK，SDO輸出串行數(shù)據(jù)次高位bit6，如此重復8次即完成1 Byte的輸出，傳輸過程中要注意端口狀態(tài)建立和保持時間。

完成軟件模擬SPI端口函數(shù)SPISim()后，寫寄存器函數(shù)的編寫采用若干次調(diào)用SPISim()的方式完成。單片機與上位機之間通信需要有相關的協(xié)議，單片機中斷服務程序根據(jù)協(xié)議對接收的數(shù)據(jù)進行判斷，從而完成相關的操作。本方案中，在擬發(fā)送數(shù)據(jù)前加了一個標志字節(jié)，單片機通過判斷接收數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)而進行相應的操作。

4 DAC重構濾波器設計

使用DDS產(chǎn)生低抖動時鐘信號的主要挑戰(zhàn)，在于降低DDS輸出信號中存在的離散雜散成分所引起的確定性時間抖動。重構濾波器是從DDS產(chǎn)生干凈的低抖動時鐘信號的重要部件。重構濾波器用于在DAC的輸出端衰減鏡像頻率。通常使用橢圓濾波器作為低通重構濾波器，與其他類型濾波器相比，在給定復雜度的情況下，橢圓濾波器可提供最快的通帶至阻帶轉換。

理論上DDS的頻率調(diào)諧范圍可以從DC到系統(tǒng)時鐘頻率的一半，然而隨著目標輸出頻率的升高，DDS輸出頻譜中第一個鏡像頻率將越來越接近目標頻率。在實際操作中，將DDS輸出頻率限制為小于系統(tǒng)時鐘頻率的40%。這種做法既充分利用了DDS調(diào)諧帶寬，又適應了外部濾波要求，降低了重構濾波器的復雜度并節(jié)省了成本。因此，設計重構濾波器截止頻率為200 MHz。

使用ADS軟件自帶集總參數(shù)濾波器設計向導完成橢圓低通濾波器設計，設計指標如下：通帶頻率200MHz;阻帶頻率300 MHz;通帶衰減0.5 dB;阻帶衰減70 dB;源和負載阻抗均為50 Ω。設計出滿足指標的7階橢圓低通濾波器，將設計軟件綜合出的元件值換為與之最接近的標準值，所得電路原理圖如圖4所示，仿真結果如圖5所示。

如圖4所示，S21曲線在200 MHz和300 MHz處的數(shù)值分別為-0.062 dB和-73.074 dB，滿足設計指標要求。

5 測試結果

系統(tǒng)時鐘頻率fs=500 MHz，給定輸出信號頻率fo，則相應的頻率控制字FTW可由式(1)計算得到。

當fo=75 MHz，F(xiàn)TW=0x26_66_66_66。將FTW寫入寄存器CTW0(0X04)，使用羅德與施瓦茨頻譜分析儀RS FSP40實測AD9911輸出信號，結果如圖6所示。從圖中可以看出，輸出信號相位噪聲達到-100.08 dBe/Hz@10 kHz，且輸出信號頻率精確。

6 結束語

介紹了基于AD9911的頻率源的實現(xiàn)方法，完成了使用PIC單片機控制DDS的頻率源。通過利用單片機配置AD9911片內(nèi)寄存器來實現(xiàn)對DDS芯片的控制，且在AD9911輸出端設計重構濾波器以改善信號質量。實測結果表明，該方案輸出信號相位噪聲小、頻率值精確，通過快速配置寄存器即可實現(xiàn)快速頻率切換。