用PIC单片机控制DDS芯片AD9852实现雷达跳频系统
发布时间：2015-07-09 11:05
摘要：DDS具有分辨率高、转换速度快的优点。在一些需要高频分辨率、设置转换度的应用场合，尤其是雷达及通信系统中的跳频信号源中，DDS技术具有其它频率合成方法无法比拟的优势，是一种很有发展前途的技术。介绍了DDS的基本原理及DDS芯片功能特点以及DDS芯片AD9852的结构、特点，并采用PIC单片机控制AD9852，实现了跳频频率合成器。
关键词：DDS 频率分辨率 转换速度 频率合成 PIC单片机
在研制雷达系统时，常常需要应用频率合成技术来实现跳频信号源。频率合成是指从一个高稳定的参考频率，经过各种技术处理，生成一系列稳定的频率输出。现在应用最广的是锁相环（PLL）频率合成技术，它是通过变化PLL中的分频比N来实现输出频率的跳频的，但无法避免缩短环路锁定时间与提高频率分辨率的矛盾，因此很难同时满足高速和高精确度的要求。直接数字式频率合成（DDS）是近年发展起来的一种新的频率合成技术。它将先进的数据处理理论与方法引入频率合成领域，是继直接频率合成（DS）和间接频率合成（IS）之后的第三代频率合成技术。DDS的优点是：相对带宽很宽，频率转换时间极短（ns级），频率分辨率很高（可达μHz），全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。因此能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。在实际应用中，可以采用单片机来代替计算机对DDS芯片进行控制，实现合成频率的输出。因此在很短的时间内，DDS得到了飞速的发展和广泛的应用。
1 DDS的基本原理
DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。正弦输出的DDS的原理框图如图1所示。相位累加器在A位频率控制字FCW的控制下，以参考时钟频率fc为采样率，产生待合成信号相位的数字线性序列。将其高P位作为地址码，通过查询正弦表ROM，产生S位对应信号波形的数字序列S（n），再由数/模转换器（DAC）将其转化为阶梯模拟电压波形S（t），最后由低通滤波器LPF平滑为正弦波输出。
频率控制字FCW和时钟频率fc共同决定了DDS输出信号的频率f0，它们之间的关系满足：
f0=(FCW/2A)·fc （1）
所以，在DDS结构及fc确定的前提下，通过FCW的控制就可以方便地控制输出频率f0。其频率分辨率为：
f=f0min=fc/2N （2）
按照Naquist准则，最高输出频率可达0.5fc。但考虑到实际低通滤波器的限制，最高输出频率一般为0.4fc。
由于DAC非线性作用的存在，使得查表所得的幅度序列从DAC的输入到输出要经过一个非线性过程。于就会产生输出信号f0的谐波分量。又因为DDS是一个采样系统，所以这些谐波会fc为周期搬移，即：
f=μfc±vf0 (3)
其中，u、v为任意整数。它们落到Nyquist带宽内就形成了有害的杂散频率，频率的位置可以确定，但幅度难以确定。所以在工程设计过程中要充分考虑输出频带，注意避免上述杂散分量落入其中，以此来获得较好的杂散指标。
2 DDS芯片介绍
DDS的诸多优点使它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面，它可以用来实现FSK、QPSK、8PSK等调制。在转达频率源方面，它可以实现多点、窄步长、高相噪的点频输出的频率源以及线性调频输出频率源。在扩频通信方面，它可实现CDMA工作方式以及多种规律的跳频模式。
现在国外已经有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1μs；美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的产品全部内置了D/A变换器，称为Complete-DDS。其中，AD9852时钟频率为300MHz，近端杂散抑制优于-80dBc，远端优于-48dBc，相位噪声为-148dBc/Hz@10kHz，频率跳变速度为130ns，频率分辨率为1μHz。
AD9852主要由48位的频率寄存器、48位相位累加器、正（余）弦查询表（带正交输出）、幅度调制寄存器、乘法器和12位D/A转换器构成。
AD9852可以实现单频、FSK、Chirp、FM Chirp、BPSK等多种输出形式。用其中的Chirp模式和FSK模式可以方便地实现跳频功能，满足雷达跳频系统的要求。使用时只要初始化DDS，设定跳频持续时间和跳频间隔时间即可实现自动跳频。这比以往的DDS芯片如AD9850要方便得多。
AD9852的管脚分为三部分：（1）数据及控制端口；（2）电源部分；（3）参考及输出部分。
由于AD9852是目前市场上性价比较高的DDS器件之一，而且AD9852具有线性调频功能，可以方便实现频率的跳变。所以在雷达跳频系统中最终采用了AD9852芯片。下面就该芯片的应用设计做一简要介绍。
3 频率合成器的设计
要让AD9852工作，需要按下列流程初始化：
（1）数据在WR信号控制下从并行输入口D0～D1写入48位并行寄存器，或在SCLK控制下从串行输入口SDATA写入48位串行寄存器。
（2）对S/P SELECT置1或置0以决定输入数据是并行还是串行。1为并行，0为串行。
（3）AD9852芯片内部不带带通滤波器，所以外围电路中应该实际工作需要外接带通滤波器，滤除不需要的频率分量。
利用一片AD9852及简单的外围电路实现频率合成器的结构框图如图2所示。
根据我在设计过程中的实际经验，有以下几个问题需要注意。
3.1 单片机的选择
因为AD9852是3.3V系统，所以必须选择可以工作在3.3V的单片机。设计之初，忽略了这个问题，选用了普通51系列芯片，因为其输出电平只能为5V，高于3.3V，DDS芯片因此被损坏。所打算采用51系列，但因为其在市场上很难买到，所以最终采用了Microchip公司的PIC系列单片机PIC16F874。该单片机可以工作在2.2～5.5V的范围内。又考虑到设计要求的高速控制，PIC16F874单片机的速度是51系列的3倍，所以PIC16F874单片机满足设计要求。
3.2 单片机的外围电路
DDS的工作电压是3.3V,而PIC的掉电复位电压是4.5V，所以PIC单片机的外围电路需要使用上电复位模式。
3.3 要避开DDS杂散较大的输出频点
在实际应用中，还有一些点的杂散信号很大，而且离主频很近，无法去除。所以应该避免输出这些频点。这些频点为靠近fc/3、fc/4、fc/5、fc/6……的频点。
3.4 去耦
在一个电子系统中，通常多个器件共用一个电源。而电源线给交流信号提供了一个通路，使得交流信号通过电源线在器件之间传输，形成了干扰。所以必须在器件之间和电源到器件之间的电源线上加入滤波部分，滤掉交流干扰，称为去耦。电源的去耦通常用几个并联电容和串联电感来实现，如图3所示。
3.5 接地
接地可以分为单点接地和多点接地。一般认为，连线长度大于信号波长的二十分之一时，应采用多点接地；反之，则采用单点接地。
实现多点接地就要在PCB板上布出一个面积较大地接地面，此接地面又与接大地的屏蔽外壳大面积接触。这样整个地的阻抗很小，电位可以认为是一致的，各器件就近接地，就避免了在线上形成干扰。
在数模混和的电路中，由于数字部分干扰源很多，所以模拟部分易受影响。因此要注意把模拟地和数字地分开。一般的方法是用一根线来连接数字地和模拟地，而且只在一处相连，这样就可以较好地切断数字部分的干扰源。
3.6 充分利用DDS的sweet pots
如前所述，在DDS中，其相位累加器的位数为A，但用来查询正弦表的位数只有其高P位，剩下的就四舍王入丢弃了，这样做会产生一种相位截断误差。但是如果相位累加器中的A-P位恰好为0，其输出频点的特性就会比较好，这就是所谓的“sweet pots”。所以在DDS单点输出时，使DDS尽量在sweet pots频点输出，可以达到优化输出特性的目的。
3.7 DDS参考信号输入端的注意事项
由于采用了参考信号单端输入的方式，所以REFCLKB端应该接地或电源；参考信号输入端REFCLK要跟电源相连接。因为DDS的参考信号要求有1.6V的直流电平，在参考信号输入到REFCLK端的端点处，应接一个5.1kΩ的电阻到3.3V直流电源，同时接一个0～10kΩ的可变电阻（此处取5kΩ）到100Ω的电阻，经过电阻分压，REFCLK端就有1.6V的直流电压。这个0～10kΩ的可调电阻同时用来微调REFCLK端对地的电阻，以调节REFCLK的直流电位，具体情况请参看图4。图4中的II形滤波部分是为了滤除电源对REFCLK端的干扰。该频率合成器原理图如图4所示。
检验证明，利用AD9852设计的频率合成器具有跳频速度快、频率分辨率高、体积小、系统工作稳定、使用方便等优点。因此它有很强的实用价值。
DDS除了用于跳频系统中外，还可以用于任意波形产生、信号调制等。随着高速集成电路的飞速发展，DDS必将开拓更多新的应用领域。
关键词：DDS 频率分辨率 转换速度 频率合成 PIC单片机
在研制雷达系统时，常常需要应用频率合成技术来实现跳频信号源。频率合成是指从一个高稳定的参考频率，经过各种技术处理，生成一系列稳定的频率输出。现在应用最广的是锁相环（PLL）频率合成技术，它是通过变化PLL中的分频比N来实现输出频率的跳频的，但无法避免缩短环路锁定时间与提高频率分辨率的矛盾，因此很难同时满足高速和高精确度的要求。直接数字式频率合成（DDS）是近年发展起来的一种新的频率合成技术。它将先进的数据处理理论与方法引入频率合成领域，是继直接频率合成（DS）和间接频率合成（IS）之后的第三代频率合成技术。DDS的优点是：相对带宽很宽，频率转换时间极短（ns级），频率分辨率很高（可达μHz），全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。因此能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。在实际应用中，可以采用单片机来代替计算机对DDS芯片进行控制，实现合成频率的输出。因此在很短的时间内，DDS得到了飞速的发展和广泛的应用。
1 DDS的基本原理
DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。正弦输出的DDS的原理框图如图1所示。相位累加器在A位频率控制字FCW的控制下，以参考时钟频率fc为采样率，产生待合成信号相位的数字线性序列。将其高P位作为地址码，通过查询正弦表ROM，产生S位对应信号波形的数字序列S（n），再由数/模转换器（DAC）将其转化为阶梯模拟电压波形S（t），最后由低通滤波器LPF平滑为正弦波输出。
频率控制字FCW和时钟频率fc共同决定了DDS输出信号的频率f0，它们之间的关系满足：
f0=(FCW/2A)·fc （1）
所以，在DDS结构及fc确定的前提下，通过FCW的控制就可以方便地控制输出频率f0。其频率分辨率为：
f=f0min=fc/2N （2）
按照Naquist准则，最高输出频率可达0.5fc。但考虑到实际低通滤波器的限制，最高输出频率一般为0.4fc。
由于DAC非线性作用的存在，使得查表所得的幅度序列从DAC的输入到输出要经过一个非线性过程。于就会产生输出信号f0的谐波分量。又因为DDS是一个采样系统，所以这些谐波会fc为周期搬移，即：
f=μfc±vf0 (3)
其中，u、v为任意整数。它们落到Nyquist带宽内就形成了有害的杂散频率，频率的位置可以确定，但幅度难以确定。所以在工程设计过程中要充分考虑输出频带，注意避免上述杂散分量落入其中，以此来获得较好的杂散指标。
2 DDS芯片介绍
DDS的诸多优点使它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面，它可以用来实现FSK、QPSK、8PSK等调制。在转达频率源方面，它可以实现多点、窄步长、高相噪的点频输出的频率源以及线性调频输出频率源。在扩频通信方面，它可实现CDMA工作方式以及多种规律的跳频模式。
现在国外已经有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1μs；美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的产品全部内置了D/A变换器，称为Complete-DDS。其中，AD9852时钟频率为300MHz，近端杂散抑制优于-80dBc，远端优于-48dBc，相位噪声为-148dBc/Hz@10kHz，频率跳变速度为130ns，频率分辨率为1μHz。
AD9852主要由48位的频率寄存器、48位相位累加器、正（余）弦查询表（带正交输出）、幅度调制寄存器、乘法器和12位D/A转换器构成。
AD9852可以实现单频、FSK、Chirp、FM Chirp、BPSK等多种输出形式。用其中的Chirp模式和FSK模式可以方便地实现跳频功能，满足雷达跳频系统的要求。使用时只要初始化DDS，设定跳频持续时间和跳频间隔时间即可实现自动跳频。这比以往的DDS芯片如AD9850要方便得多。
AD9852的管脚分为三部分：（1）数据及控制端口；（2）电源部分；（3）参考及输出部分。
由于AD9852是目前市场上性价比较高的DDS器件之一，而且AD9852具有线性调频功能，可以方便实现频率的跳变。所以在雷达跳频系统中最终采用了AD9852芯片。下面就该芯片的应用设计做一简要介绍。
3 频率合成器的设计
要让AD9852工作，需要按下列流程初始化：
（1）数据在WR信号控制下从并行输入口D0～D1写入48位并行寄存器，或在SCLK控制下从串行输入口SDATA写入48位串行寄存器。
（2）对S/P SELECT置1或置0以决定输入数据是并行还是串行。1为并行，0为串行。
（3）AD9852芯片内部不带带通滤波器，所以外围电路中应该实际工作需要外接带通滤波器，滤除不需要的频率分量。
利用一片AD9852及简单的外围电路实现频率合成器的结构框图如图2所示。
根据我在设计过程中的实际经验，有以下几个问题需要注意。
3.1 单片机的选择
因为AD9852是3.3V系统，所以必须选择可以工作在3.3V的单片机。设计之初，忽略了这个问题，选用了普通51系列芯片，因为其输出电平只能为5V，高于3.3V，DDS芯片因此被损坏。所打算采用51系列，但因为其在市场上很难买到，所以最终采用了Microchip公司的PIC系列单片机PIC16F874。该单片机可以工作在2.2～5.5V的范围内。又考虑到设计要求的高速控制，PIC16F874单片机的速度是51系列的3倍，所以PIC16F874单片机满足设计要求。
3.2 单片机的外围电路
DDS的工作电压是3.3V,而PIC的掉电复位电压是4.5V，所以PIC单片机的外围电路需要使用上电复位模式。
3.3 要避开DDS杂散较大的输出频点
在实际应用中，还有一些点的杂散信号很大，而且离主频很近，无法去除。所以应该避免输出这些频点。这些频点为靠近fc/3、fc/4、fc/5、fc/6……的频点。
3.4 去耦
在一个电子系统中，通常多个器件共用一个电源。而电源线给交流信号提供了一个通路，使得交流信号通过电源线在器件之间传输，形成了干扰。所以必须在器件之间和电源到器件之间的电源线上加入滤波部分，滤掉交流干扰，称为去耦。电源的去耦通常用几个并联电容和串联电感来实现，如图3所示。
3.5 接地
接地可以分为单点接地和多点接地。一般认为，连线长度大于信号波长的二十分之一时，应采用多点接地；反之，则采用单点接地。
实现多点接地就要在PCB板上布出一个面积较大地接地面，此接地面又与接大地的屏蔽外壳大面积接触。这样整个地的阻抗很小，电位可以认为是一致的，各器件就近接地，就避免了在线上形成干扰。
在数模混和的电路中，由于数字部分干扰源很多，所以模拟部分易受影响。因此要注意把模拟地和数字地分开。一般的方法是用一根线来连接数字地和模拟地，而且只在一处相连，这样就可以较好地切断数字部分的干扰源。
3.6 充分利用DDS的sweet pots
如前所述，在DDS中，其相位累加器的位数为A，但用来查询正弦表的位数只有其高P位，剩下的就四舍王入丢弃了，这样做会产生一种相位截断误差。但是如果相位累加器中的A-P位恰好为0，其输出频点的特性就会比较好，这就是所谓的“sweet pots”。所以在DDS单点输出时，使DDS尽量在sweet pots频点输出，可以达到优化输出特性的目的。
3.7 DDS参考信号输入端的注意事项
由于采用了参考信号单端输入的方式，所以REFCLKB端应该接地或电源；参考信号输入端REFCLK要跟电源相连接。因为DDS的参考信号要求有1.6V的直流电平，在参考信号输入到REFCLK端的端点处，应接一个5.1kΩ的电阻到3.3V直流电源，同时接一个0～10kΩ的可变电阻（此处取5kΩ）到100Ω的电阻，经过电阻分压，REFCLK端就有1.6V的直流电压。这个0～10kΩ的可调电阻同时用来微调REFCLK端对地的电阻，以调节REFCLK的直流电位，具体情况请参看图4。图4中的II形滤波部分是为了滤除电源对REFCLK端的干扰。该频率合成器原理图如图4所示。
检验证明，利用AD9852设计的频率合成器具有跳频速度快、频率分辨率高、体积小、系统工作稳定、使用方便等优点。因此它有很强的实用价值。
DDS除了用于跳频系统中外，还可以用于任意波形产生、信号调制等。随着高速集成电路的飞速发展，DDS必将开拓更多新的应用领域。
上一篇：计算机网络安全的现状及对策
下一篇：浅谈医院信息系统