基于AD9910的高频多模式信号发生器的设计
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嘲翻擞撼 id£o H 4i ff ri ARTS&器A rs&APPLI C  ̄IONS A.r ■- 应用【本文献信息】李俊,谭秋林,崔永俊,等.基于AD9910的高频多模式信号发生器的设计[J].电视技术,2012,36(9) 基于AD9910的高频多模式信号发生器的设计 李俊 ,谭秋林 ,崔永俊 ,李锦明 (1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051; 2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051) 【摘要】以ADI公司的高性能DDS芯片AD9910为核心,以TI公司的低功耗单片机MSP430为控制器,设计了一种信号发生 器。目前的信号发生器产生信号单一,频率较低,不能满足某些需要多模式高频信号场合的要求,为了解决这个问题,采用单片 机直接控制DDS芯片的方法,设计了一种能产生高频多模式信号的信号发生器,能够输出高达400 MHz的信号,频率分辨力可 达0.23 Hz,还能够进行多级的相移键控和频移键控调制。 【关键词】直接数字频率合成器;AD9910芯片;信号发生器;相移键控;频移键控 【中图分类号】TN911.6;TH873.7 【文献标识码】A Design of lligh Frequency and Multi-mode Signal Generator Based on AD9910 LI Jun‘ ,TAN Qiulin ,CUI Yongjun ,LI Jinming2 (J.Key Laboratory oflnstrumerttation Science&Dynamic Measurement ofMinistry ofEducation,North University ofChina,Taiyuan 030051,China; 2.National Keylaboratoryfor Electronic Measurement Technology,North Unievrsity foChina,Ta 。 030051,Chian) 【Abstract】In this paper,a kind of signal generator is desinged with hte high performance DDS chips AD9910 made by the ADI Company as the core and hte low power consumption MCU MSP430 made by the TI Company as controller, Because the output signal is single and low frequency,hte current signal genera— otr can not meet certain requirements which require multi-mode hi,-fghrequency singa1.To solve this problem,a isngal generator is desing,(ed to generate hiigh -frequency mulit—mode signal,using the MCU dierctly controlling the DDS chip..This generator can output 400 MHz isgnal,and frequency resolution is up to 0.23 Hz.It also can make multi一-level Phase Shift Keying and Frequency Shift Keying modulation. 【Key words】DDS;AD9910;signal generator;phase sihtf keying;frequency shitf keying 传统的信号发生器由于通常采用模拟元件或FPGA 在数字域,只要更新频率控制字,输出的频率就相应改变; 来实现,往往出现波形不稳定、调制频率低等缺点。在信 频率分辨力高是由于频率控制字的宽度宽,AD9910的频 号发生器中采用DDS(Direct Di ̄a]Synthesizer) -s]芯片 率控制字为32位,能提供0.23 Hz的调频分辨力。 可以克服这些缺点,同时可以满足系统实时可编程的要 DDS主要由相位累加器、相位幅度转换、数模转换器 求,提高技术指标,在最大程度上实现系统的开放性、数字 (DAC)构成,图1是DDS的内部结构图。 化、标准化和可编程化。因此本文提出一种高频多模式信 参考时钟 号发生器方案,利用低功耗单片机MSP430F149作为控制 『l lDDs电路 器 ,应用高性能DDS芯片AD9910 作为信号发生器。 ..相位 加器 l扣 啭换 DA 出 AD9910可以产生频率高达40O MHz的信号,还可以进行 最高8级的FSK(Frequency Shitf Keying)和PSK(Phase ’ Shitf Keying)调制。由于其具有波形稳定、能进行高频多 数字域 十 。i“∞ 模式信号输出、硬件电路简单等优点,可以广泛应用于军 图1 DDS内部结构图 事、航天、通信等领域。 DDS利用了正弦波相位线性增加这一特点来产生信 号。如图2,根据DDS的频率控制字的位数/v,把360。平 1 DDS工作原理 均分成了2 等份。 DDS实际上是一种分频器:通过编程频率控制字来 在图2所示相位累加器中,选择恰当的频率控制字 分频系统时钟以产生所需要的频率。DDS的突出优点是 ,相位就以每次M×(360‘'/2 )进行累加,2N/M次后完 跳频速率高和频率分辨力高,跳频速率高是因为DDS工作 成一次周期,需要时间为(2 /M)×F ,因此就能得到所需 要的输出频率F 基金项目:国家自然科学基金项目(51075375) 投稿网址http://www.VideoE.on l《电视技术》第36卷第9期(总第384期) 51 PARTs&APP器L 铲嘲鹅魏 l t O 4i ri -・00 1l F。 =F X M/2 (图2相位累加器厚理 图3系统整体结构图 (1) 过放大滤波后输出频谱纯净的信号。 式中:F 为系统时钟;Ⅳ为频率控制字的位数。 在相位累加器中得到的相位信息通过相位幅度转换器 转换为相应的幅度值,相位到幅变的转换通过查表完成。 模拟信号输出。 3 系统硬件电路设计 ,2 系统整体设计 一  ̄D9910是一款完整的直接数字频率合成器,能够产 数模转换器将代表幅度的二进制数字信号转换成为 生频率分辨力高、快速跳频、快速稳定自动扫频的信号。 芯片采用1 GHz基准时钟,根据抽样定理其输出频率的理 论值可达到500 MHz,但在实际应用中,其输出频率不应 大于系统时钟的40%,即400 MHz。用户可以访问频率、 整个系统主要由MSP430F149单片机系统、AD9910 相位、振幅3个用于控制DDS的信号控制参数,极大提高 芯片电路、时钟电路、电源电路等构成,如图3所示。 了进行各种信号调制的功能。AD9910是通过串行I/0端 系统采用MSP430f149作为控制单片机,单片机通过 口进行内部寄存器配置的,支持单频调制模式、RAM调制 SPI接口对AD9910芯片进行控制,还可以控制外部供电电 模式、数字斜坡调制模式和并行数据端口调制模式。 源进行供电,时钟电路向AD9910提供准确的时钟,系统经 AD9910的硬件连接图如图4所示。 图4 AD9910硬件连接图(软件截图) 52 《电视技术》第36卷第9期(总第384期)l投稿网址http://www.VideoE.crl 嘞稠 0 f P 0 …P, w Al lTS&APPLI器& C咎 应ATl ON用S l嚣● 3.1系统电源设计 控制位可以利川内部锁相环产生远远大于参考时钟的系 整个系统利州5 V供电,单片机需要3.3 V电源, 字和1.8 V模拟。在设计电路时要注意电源的要求,以提 高系统的稳定性。Hj XC6209B332芯片进行5 V变3.3 V 的电压变换,利川TPS73718芯片进行5 V转1.8 V ¥1Jftj单片机的一个管脚作为AD9910芯片电源的选 统时钟。 此在本电路中可以采 L}J 25 MHz的无源品振 Xr=I1AI SEL引脚接1.8 V。 AD9910需要4组电源:3.3 V数字、3.3 V模拟、1.8 V数 给AD9910提供时钟。在利川外部时钟的时候要注意将 4 软件设计 单片机是整个系统的控制核心,软件的设计主要是 通管脚,当单片机选通电源芯片时,才给AD9910上电,这 单片机对AD9910寄存器的配置、电源管理等功能。样可以降低功耗,电源之问应利州磁珠隔离。 AD9910串行I/O端口寄存器共有24个,但是其中有2个 3.2单片机控制接口电路 寄存器未使川,所以只有22个可,L}j寄存器,寄存器分配到 AD9910的串行端门可与多种微处理器和微控制器 的字节数不同,其字节容量取决于特定的功能要求。 连接,单片机可以很容易控制它,实现对AD9910内部寄 以采用AD9910产生PSK信号为例。采川AD9910 存器的读写功能。单片机与AIN910的接口见罔5。 的RAM调制模式,信号控制参数存放在RAM寄存器中, MSP430 An99】n 川户可通过和其他控制寄存器配合使J}=}j来进行信号调制。 })1(】 MASTEl/ R I_;SET I,1 l I/O RESET 在RAM调制方式中,通过控制CFR1的3l位及CFR2的 Pl 2 f;S P1 3 SCT K l 】4 SI)I() 4与19位来控制选择工作模式。在配置RAM Profile寄 }1l 5 I/1)I-I’DATE Pl 6 I,l{()FI1 E0 存器时,可选择RAM的工作模式设置RAM波形的起始 Pl 7 },I{O1'’ll E J I 2() PI{O¨l_ :2 和结束地址与扫捕速率。其中在直接转换模式中有可实 现BPSK零交越调制0 的功能位。通过外部3个PRO— — 也源 ——。“。 。FII E管脚可选择需要输出的RAM寄存器波形。 图5单片机与A1)9910接口图 AD9910包含一个1 024 X32 bit的RAM。RAM有两种 MASTER—RESET用来给AD9910复位,所有存储元 基本工作模式:数据加载/读取模式和播放模式。当RAM 件清零,寄存器设置为默认值;I/O—RESET可为单片机与 数据通过串行I/O端口加载或读取时,数据加载/读取模式 AD9910通信出现故障时实现对I/O复位;I/O—UPDATE 有效;当RAM将内容发送至某一个内部数据目的参数时, 川于将串行I/O缓冲器中的数据传输到器件的有效寄存 播放模式有效。根据具体播放模式,可将RAM最多分成8 器中,冈为只存在缓冲器巾的数据足无效的,所以在单片 个的时域波形,最高可进行8级PSK调制,本例进行 机利川串行口对AD9910内部寄存器编程时,要利川此管 BPSK调制。这些波形驱动DDS信号控制参数,支持频率、 脚进行更新,这样才能完成配置寄存器过程,使寄存器配 相位、振幅或极性调制信号。在控制寄存器1(CER1)中设 置正确,此管脚上升沿有效;CS,SCLK,SDIO为AD9910的 置RAM使能位可使能RAM操作。寄存器配置需I/O更 串行I/O端口,其中cs为片选信号,SCI K为串行时钟, 新。图7为系统软件流程罔。 SDIO为串行数据输入/输出引脚,单片机通过串行端口配 置AD9910的内部寄存器,控制AD9910信号输出;PRO— FILE0,PROFILE1,PROFILE2为PROFILE选择引脚,通过 选择这3个引脚的高低电平选择8个PROFILE,但是 PROFILE引脚的选择必须满足SYNC—CLK上升沿的建立 和保持时间的要求。串行端口写入时序如冈6所示。 指令周期 数据周期 图6 串口写入时序图 图7 系统软件流程图 3.3时钟电路 系统上电后,首先单片机对AD9910进行初始化,然 AD9910的时钟可以由差分或单端信号源提供,也可 后对AD9910供电,MSP430控制AD9910的复位引脚对 以直接由无源晶振提供。通过设置控制寄存器3的相关 AD9910进行复位,这样可以清除AD9910内部的存储单 投稿网址http://www.Videol=.cnl《电视技术》第36卷第9期(总第384期) 53 PAR &AP 熙 元。AD9910复位后,单片机配置AD9910的控制寄存器 1、控制寄存器2、控制寄存器3,特别是向AD9910的控制 寄存器1的RAM使能位写入高电平,使RAM模式使能, 单片机对寄存器的配置是通过串行端口进行的。单片机 有相应的引脚与AD9910的PROFILE选择引脚连接,通过 相应引脚选择需要进行操作的PROFILE,如要选择PRO. 期皴蠛 ide o i …i H FILE0,就要将对应AD9910的PROFILE0,1,2管脚选择为 000,选择一个PROFILE以后,单片机配置PROFILE的地 图8 BPSK输出波形图 址步进率、波形结束地址、波形起始地址,并选择RAM直接 束地址的正确写入。本文中进行了BPSK信号的调制,只需 本系统还可以进行不同频率的输出和进行FSK调 输出波形如图9所示。 转换模式。在进行PROFIE写人时要注意起始地址和结 制,L要用到两个RAM PROFILE寄存器,在一个PROFILE写完 后,利用管脚选择另一个PROFILE,继续配置RAM。在写 寄存器的过程中,每写完—个寄存器就要进行I/O更新。 在所需PROFIE写完后,接下来就可以将需要的相 L位控制字写入RAM,通过外部的PROFILE管脚选择相应 的RAM寄存器,把相位控制字写入0x16地址,在内部状 态机的控制下,就可以将控制字写入DDS。AD9910的相 图9各频率正弦输出和2级FSK输出波形图 对相位是通过16位的相位偏移字(POW)来控制的,相对 相位偏移(单位为弧度)可由下式计算得出 A0=2w(POW/2 ) (2) 5 结论 经过实际试验验证,利用高性能DDS芯片AD9910可 以在高达40O MHz的频率下生成频率捷变正弦波形,电 路具有操作方便、结构简单、功耗低等诸多优点。本文主 要进行了RAM模式下相位键控调制软件的介绍,还可以 对于任意给定的AO,则可利用式(2)求出POW。在 BPSK调制中,相位改变180。,所以向RAM中分别写入 OxO0和OxSO。 在写RAM时对时序有严格的要求,至SCLK最短数 据建立时问不能低于5 ns,同时要注意写RAM的时序和 进行高精度高频信号输出与多级PSK和FSK信号输出。 经过实际验证,本文所设计的电路可以满足通信系统中对 串口编程的时序区别,在写RAM的时候不能对I/O端口 进行操作,否则就会破坏数据的写入。 最后将需要产生波形的频率写入Frw(0x07)寄存器 信号发生器的要求,具有较高的应用价值。 参考文献: [1]熊慎伟.基于DDS的宽带雷达信号产生系统[J].电子工程信息, 2005(1):35_37. 中。AD9910的输出频率由DDS频率控制输入的控制字 (FT1w)决定,计算公式为 fo I=(FTW/2 )fsYscLK 式中: (3) [2]陈雷,汪立森,潘明海.基于DDS的低截获概率雷达信号设计实现 [c]//中国通信学会青年工作委员会.2008通信理论与技术新发 展——第十三届全国青年通信学术会议论文集.北京:国防工业出 版社,2008:112—1l15. 是AD9910的系统时钟,F 是介于0~2 一 1之间的32 bit整数,通过这个关系式可以很容易地计算 出给定频率的频率控制字。但需要注意的是如果F 大 于2 ,所输出的波形会产生混叠镜像。 在写完AD9910所有的寄存器后,单片机回读寄存器 的内容,判断是否正确输入,如果寄存器没有正确配置,则 需要单片机复位AD9910并进行重新的配置。如果正确 [3]黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计[M].西安电子科技大学出版 社。2008. [4]原玢,李燕杰,祖静,等.多功能便携式信号发生器设计[J].电视技 术,201l,35(15):138-140. [5]AnMog Devices Inc.AD9910 datasheet[EB/OL].[2011—09—09].ht— tp://www.analog.corn/static/imported—files/datasheets/AD9910.Nf. 输入,单片机根据需要调制的数字信号来选择外部PRO— FILE管脚进而选择相应RAM PROFILE的波形输出。 本例产生的BPSK信号如图8所示。 [6]温强,张汉润,赖志昌.无相位模糊的BPSK数字调制与解调[J].哈 尔滨工程大学学报,1998,19(2):82—86. 责任编辑:哈宏疆 收稿日期:2011-12-27 54 《电视技术》第36卷第9期(总第384期)I投稿网址http://www.VideoE.on