基于PIC18LF4520和AD9911的頻率源設計

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)和在線調試，節(jié)省了軟件設計和調試時間。

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片內寄存器，AD9911內部共有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R&S 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。