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隨著在雷達(dá)探測(cè)、儀表測(cè)量、化學(xué)分析等領(lǐng)域研究的不斷深入，不僅要求定性的完成目標(biāo)檢測(cè)，更加需要往高精度、高分辨率成像的方向發(fā)展。一方面，產(chǎn)生頻率、幅度靈活可控，尤其是低相位噪聲、低雜散的頻率源對(duì)許多儀器設(shè)備起著關(guān)鍵作用。另一方面，電子元器件實(shí)際性能參數(shù)并非理想以及來存在自外部?jī)?nèi)部的干擾，大量的誤差因素會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。雙路參數(shù)可調(diào)的信號(hào)源可有效地對(duì)系統(tǒng)誤差、信號(hào)通道間不平衡進(jìn)行較調(diào)，并且可以產(chǎn)生嚴(yán)格正交或相關(guān)的信號(hào)，這在弱信號(hào)檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。為此本文采用雙通道DDS方法，以STM32為控制器，完成了一種高分辨率靈活可調(diào)的雙路信號(hào)源電路設(shè)計(jì)。 1 DDS原理及系統(tǒng)方案 1.1 DDS工作原理 直接數(shù)字頻率合成（DDS）是一種以一個(gè)固定頻率的精確時(shí)鐘源為參考，使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的輸出信號(hào)的技術(shù)。本質(zhì)上，DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)是通過可編程的二進(jìn)制控制字所設(shè)置的尺度因子對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行“分頻”。控制字通常為24-48位長(zhǎng)，使DDS實(shí)現(xiàn)卓越的輸出頻率分辨率。直接數(shù)字頻率合成器可以通過精密參考時(shí)鐘，地址計(jì)數(shù)器，可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 DDS基本結(jié)構(gòu) 通過在數(shù)字信號(hào)鏈路上引入相位累加功能，使這種架構(gòu)成為一個(gè)數(shù)控振蕩器，同時(shí)也是高度靈活DDS器件的核心。如圖2所示，在正弦查找表之前用N-bit可變模的計(jì)數(shù)器和相位寄存器來替換地址計(jì)數(shù)器，形成一種具有“相位輪”的DDS結(jié)構(gòu)，“相位輪”上的每一點(diǎn)與恰好與正弦波周期波形上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)。 圖2 可變頻DDS結(jié)構(gòu)與數(shù)字相位輪 DDS的輸出頻率為： 其中，fout為輸出頻率，M為二進(jìn)制控制字，fc為參考時(shí)鐘源，N為相位累加器的位寬（決定頻率分辨率）。 DDS發(fā)展趨勢(shì)是功能集成，在單芯片上增加數(shù)模模塊實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。這些模塊主要有： 1)可編程的輸入時(shí)鐘倍頻模塊。 2)可編程幅度，相位控制模塊。 3)多波形產(chǎn)生控制模塊。 4)各種調(diào)制及掃描模塊。 1.2 系統(tǒng)方案 整個(gè)信號(hào)源系統(tǒng)主要由STM32控制器、AD9958、輸出電路、濾波電路、外圍電路和上位機(jī)配置軟件等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。 圖3 系統(tǒng)方案框圖 上位機(jī)控制軟件將需要配置（或讀�。┑膮�(shù)以命令的方式發(fā)送到控制器，控制器解析命令后完成對(duì)芯片的配置或讀取相應(yīng)的參數(shù)回發(fā)到上位機(jī)。系統(tǒng)采用雙通道DDS器件AD9958為頻率發(fā)生器，該器件由兩個(gè)DDS內(nèi)核構(gòu)成，頻率、幅度、相位控制字位寬分別為32bit、10bit、14bit，可滿足高分辨率信號(hào)需求。每個(gè)通道可提供獨(dú)立的頻率、幅度和相位控制，具有卓越的通道隔離度（大于72dB）。由于兩個(gè)通道采用相同系統(tǒng)參考時(shí)鐘，因此兩個(gè)通道間具有內(nèi)在的同步性，通過菊花鏈連接方式可實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件間同步。AD9958另外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，在具有多通道DDS器件中，其功耗是最低的。通過外部控制引腳（PWR_DWN_CTL）和內(nèi)部可配置寄存器FR1[7:6]、CFR[7:6]，實(shí)現(xiàn)多種低功耗工作模式。 2 濾波器及AD9958輸出電路設(shè)計(jì) 2.1 LC橢圓低通濾波器的設(shè)計(jì) DDS數(shù)字式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也帶來了輸出雜散的問題。雜散的來源有： 1)DAC輸出非理想。 2)參考時(shí)鐘。 3)幅度量化誤差。 4)相位截?cái)唷?br /> 相位截?cái)嚯s散以及與相位—幅度轉(zhuǎn)換過程相關(guān)的雜散是DDS設(shè)計(jì)中的有限相位和幅度分辨率造成的結(jié)果，對(duì)于高性能DDS可以忽略，因而雜散的主要來源是DAC非理想和參考時(shí)鐘。其中DAC輸出功率與量化噪聲比可用下式計(jì)算： 式中SQR為信噪比，B為DAC分辨率位寬，F(xiàn)FS為DAC輸出滿量程分?jǐn)?shù)（常見值為1/2,1/4,1/8/,1/16）。 在時(shí)鐘為300MHz，輸出為80MHz時(shí)，DAC采樣輸出幅度譜如圖4所示。 圖4 采樣輸出譜分析 對(duì)AD9958器件模型進(jìn)行仿真分析，在無輸出濾波器條件下得到的仿真結(jié)果如圖5所示。 圖5 直接輸出頻譜及時(shí)域波形 圖中PPT表示相位截?cái)嚯s散，DAC Images表示輸出鏡像頻率造成的雜散，DH2、DH3分別是二、三次諧波引起雜散，可見雜散分量主要由鏡像頻率分量引起。雜散數(shù)據(jù)表如表1所示。 從數(shù)據(jù)表中可知相位截?cái)啵≒PT）雜散為（-70.017dBc），可以忽略。在DAC輸出插入低通濾波器后，AD9958輸出會(huì)明顯改善，輸出譜及波形如圖6所示。 圖6 濾波后輸出頻譜及時(shí)域波形 根據(jù)AD9958性能參數(shù)，所需設(shè)計(jì)的低通濾波器指標(biāo)如下： 類型：橢圓LC濾波器 通帶截止頻率：fc=200MHz 通帶紋波：ε=0.3 阻帶及衰減fs=230MHz，50dB 輸入輸出匹配阻抗：100Ω 最終設(shè)計(jì)出的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真結(jié)果如圖7(a)、(b)所示。 圖7(a) 7階橢圓低通濾波器結(jié)構(gòu)及參數(shù) 圖7(b) 7階橢圓低通濾波器幅頻響應(yīng) 2.2 信號(hào)源輸出電路 由于AD9958頻率輸出是一個(gè)電流型輸出，等效模型為內(nèi)阻為100KΩ的電流源。DAC輸出電流的滿量程值由外部電阻RSET決定，計(jì)算公式如下： 而需要設(shè)計(jì)的信號(hào)源是電壓型輸出并能提供一定的輸出驅(qū)動(dòng)能力，所以需要對(duì)ADC輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并在濾波器后插入緩沖放大器。若采用中心抽頭變壓器進(jìn)行電流電壓變換，在低頻時(shí)會(huì)造成插入損耗過大，固直接通過終端電阻來轉(zhuǎn)換。輸出驅(qū)動(dòng)放大器采用高速放大器ADA4891-2。 ADA4891是一款CMOS、高速、高性能、低成本放大器，具有單電源供電，輸入電壓范圍可擴(kuò)展至負(fù)電源軌300mV以下，軌到軌輸出級(jí)使輸出擺幅可以達(dá)到各供電軌50mV以內(nèi)，以提供最大的動(dòng)態(tài)范圍，線性輸出電流150mA（-50dBc時(shí)），-3dB帶寬為240MHz，功耗僅為4.4mA。最終設(shè)計(jì)的輸出電路如圖8所示。 圖8 AD9958輸出轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路 3 配置平臺(tái)設(shè)計(jì) 配置平臺(tái)主要由控制器和上位機(jī)軟件構(gòu)建，二者之間通過配置接口實(shí)現(xiàn)命令數(shù)據(jù)交互，完成DDS的配置、控制，參數(shù)讀取�？刂破鬟x用STM32F107，上位機(jī)軟件以VC6.0為平臺(tái)來設(shè)計(jì)，通過串口控件MSComm實(shí)現(xiàn)通信。STM32F107是以Cortex-M3為內(nèi)核的一款32位處理器，采用該器件主要是基于以下幾點(diǎn)原因： 1)接口豐富，帶USART，SPI（SCK時(shí)鐘可達(dá)36MHz，單線雙線模式）。 2)含內(nèi)部FLASH，可以將配置數(shù)據(jù)保存，無需外加非易失存儲(chǔ)器。 3)性能優(yōu)異，功耗低。 控制器軟件流程圖如圖9所示。 圖9 STM32F107控制軟件流程圖 上位機(jī)軟件提供一個(gè)良好的可視化界面，通過獲取用戶指定有效參數(shù)（無效則給出錯(cuò)誤報(bào)告），完成下發(fā)命令、接收數(shù)據(jù)、處理下位機(jī)回發(fā)報(bào)告等任務(wù)。設(shè)計(jì)的軟件界面如圖10所示。 圖10 上位機(jī)平臺(tái)界面 用戶可通過界面完成一些常用的配置或直接對(duì)指定的AD9958寄存器進(jìn)行讀寫，還可以將配置存入FLASH，以便控制器下次啟動(dòng)后可直接恢復(fù)輸出。向AD9958內(nèi)部地址0x04（CFTW0寄存器寫）入0x01a80022配置的SPI幀格式（MSB first）如圖11所示。 圖11 寫0x04寄存器的SPI幀格式 4 結(jié)語 結(jié)果表明信號(hào)源輸出特性良好，還具有集成的高、功耗低、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。為了滿足不同應(yīng)用的需求，可調(diào)整濾波器參數(shù)或?qū)V波輸出直接引出。由于采用了外設(shè)豐富的STM32控制器，使系統(tǒng)具有良好擴(kuò)展性。該信號(hào)源可應(yīng)用于嵌入式儀表測(cè)量、相關(guān)弱信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域，也可作為激勵(lì)源為電路調(diào)試帶來極大方便。 |
