摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）的RF合成信號(hào)源系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AD9852和單片機(jī)C8051F020相結(jié)合的方法，以AD9852為頻率合成器，以信號(hào)處理器C8051F020為系統(tǒng)控制和任務(wù)調(diào)度中心。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率在1 Hz～40 MHz可調(diào)，最小可調(diào)步進(jìn)為1 Hz，并且頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5。此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅、調(diào)頻、相移鍵控、頻移鍵控和掃頻等功能。在完成軟硬件設(shè)計(jì)后，通過(guò)使用多種電子儀器對(duì)系統(tǒng)性能和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字控制；射頻信號(hào)源；直接數(shù)字頻率合成；調(diào)制

0 引言

　　信號(hào)源是雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵，因此低相位噪聲、高穩(wěn)定度、高可靠性和多功能信號(hào)源的研究受到普遍重視[1]。目前實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的主要技術(shù)有：直接頻率合成（DS）、鎖相式頻率合成（PLL）和直接數(shù)字頻率合成（DDS）三種基本類(lèi)型。DS方式具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但是，這種方法首要的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于集成化、小型化，目前實(shí)際上已處于被淘汰的狀況[2]。PLL方式相對(duì)于直接頻率合成方式能夠集成化和小型化，但是由于其鎖相環(huán)存在捕獲時(shí)間問(wèn)題，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不可能做得很小，使之很難滿(mǎn)足高速、超高速的技術(shù)要求[3]。DDS方式的基本優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確而快捷地調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度[4]。目前國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)的數(shù)字化的智能函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)品，但是普遍存在價(jià)格高和操作復(fù)雜的缺點(diǎn)。針對(duì)此情況，本文研制了數(shù)字控制RF合成信號(hào)源，具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能高和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1 無(wú)線信號(hào)分析儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)字控制RF合成信號(hào)源系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為控制核心，可大大提高處理速度和系統(tǒng)控制的靈活性；采用DDS芯片AD9852為頻率源，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能和可靠性，降低成本；以圖形點(diǎn)陣液晶（HG12864）和64鍵鍵盤(pán)智能管理芯片HD7279A[5]構(gòu)成人機(jī)對(duì)話窗口，具有良好的人機(jī)界面，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)功能要求，實(shí)際設(shè)計(jì)了4種信號(hào)的發(fā)生器：正弦波、普通調(diào)幅波（AM）、調(diào)頻波（FM）和二進(jìn)制鍵控信號(hào)FSK、BPSK、Chirp、Ramp FSK?，F(xiàn)在以正弦波為例介紹其設(shè)計(jì)方案。從系統(tǒng)精確性和穩(wěn)定性方面考慮采用DDS專(zhuān)用芯片AD9852，它是美國(guó)模擬半導(dǎo)體公司推出的直接數(shù)字頻率合成器（DDS），其正弦波發(fā)生器框圖如圖2所示。

2 無(wú)線信號(hào)分析儀系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 正弦波、FM和AM信號(hào)產(chǎn)生電路

　　AD9852的DDS系統(tǒng)包括相位累加器和正弦查找表，其中，相位累加器由一個(gè)48位加法器和一個(gè)48位寄存器組成，相位寄存器的輸出與外部相位控制字相加后作為正弦查找表的地址。具體的正弦信號(hào)、FM信號(hào)和AM信號(hào)的產(chǎn)生方法如下[5-7]。

　　2.1.1 正弦信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)正弦波信號(hào)頻率為f0，則有：

　　V0（t）=Vom×sin2πf0（1）

　　在AD9852中，頻率分辨率為：

　　只要通過(guò)單片機(jī)向AD9852送入與f0相對(duì)應(yīng)的頻率控制字FSW0，就可得到式（3）表示的正弦波。

　　AD9852輸出的正弦波幅度Vom由其內(nèi)部電路和引腳56所接RSET阻值大小決定，當(dāng)取RSET=3.92 k?贅時(shí)，滿(mǎn)度IOUT=10 mA，這時(shí)輸出電壓無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）最佳。采用此方法，其滿(mǎn)度輸出正電壓VOPP≈1 V。

　　2.1.2 FM信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

　　由模擬FM原理可知：

　　其中，f為瞬時(shí)頻率，f0為載波頻率，fm為瞬時(shí)最大頻偏。

　　在AD8952中，上述調(diào)頻過(guò)程是全數(shù)字化的，設(shè)fm、sint對(duì)應(yīng)的數(shù)字式分別為FSWm、V?贅D，則有：

　　其中，Di＝0，1，3，5，…，255，VD送數(shù)周期為1 ms。

　　因此，可以得到數(shù)字調(diào)頻公式為：

　　FSW=FSW0+FSWm×（Di-128）/128（7）

　　其中，F(xiàn)SW0對(duì)應(yīng)瞬時(shí)頻率f。

　　2.1.3 AM信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

　　由模擬調(diào)幅（AM）的原理，已調(diào)幅波如下式所示：

　　其中，Vom為載波幅度，在本設(shè)計(jì)中設(shè)為0.5 V。

　　根據(jù)題目要求，ma做步進(jìn)調(diào)節(jié)時(shí)，相應(yīng)的Vm改變?nèi)绫?所示。

　　本設(shè)計(jì)調(diào)幅過(guò)程也是全數(shù)字化的，其調(diào)制信號(hào)與FM的相同，只是Vom不同，因此，改變Vom就可實(shí)現(xiàn)所要求的步進(jìn)調(diào)幅。這是利用AD9852輸出電壓幅度與送到AD9852 Rest端前的D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量成正比這一特性實(shí)現(xiàn)的。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　2.2.1 雙端—單端差分運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)

　　2.2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

　　DDS采用全數(shù)字技術(shù)，因而不可避免地會(huì)存在雜散干擾，需要進(jìn)行電路濾波。系統(tǒng)要求40 MHz內(nèi)正弦信號(hào)輸出，采用截止頻率為50 MHz的低通濾波器電路符合要求。具體設(shè)計(jì)的7階50 MHz橢圓低通濾波電路如圖4所示。

　　2.3 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的思想是采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)軟件劃分為人機(jī)對(duì)話、正弦信號(hào)模塊、調(diào)幅功能模塊、調(diào)頻功能模塊和二進(jìn)制鍵控5個(gè)模塊。全部原代碼均使用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性[8]，主程序流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1 測(cè)試要求

　　測(cè)試指標(biāo)：系統(tǒng)要求正弦波輸出頻率范圍：1 Hz～40 MHz，具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)為1 Hz，并且輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5；輸出電壓幅度在50 ?贅負(fù)載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥5 V；系統(tǒng)要求產(chǎn)生二進(jìn)制FSK、Chirp、Ramp FSK、BFSK信號(hào)、AM信號(hào)和FM信號(hào)，并且用示波器觀察時(shí)無(wú)明顯失真。

　　3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后可以進(jìn)行頻率、幅度和各種調(diào)制信號(hào)輸出波形的測(cè)試，其中頻率測(cè)試表如表2所示。由表2可知，輸出頻率的誤差在0～0.03％之間，頻率步進(jìn)小于1 Hz。

　　幅度測(cè)試表如表3所示。由表3可知，輸出幅度的誤差滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。誤差主要產(chǎn)生于信號(hào)傳輸鏈路，包括信號(hào)輸出線的衰減和放大器的非理想穩(wěn)定性。

　　各種調(diào)制信號(hào)輸出波形的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出掃頻信號(hào)、AM信號(hào)、FM信號(hào)、FSK調(diào)制信號(hào)和BPSK調(diào)制信號(hào)測(cè)試均正常。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)C8051F020的數(shù)字控制RF合成信號(hào)源，完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)有各功能正常，RF信號(hào)源可輸出掃頻信號(hào)、序列信號(hào)和正弦信號(hào)，正弦信號(hào)輸出頻率范圍為1 Hz～40 MHz，頻率分辨率為1 Hz，輸出電壓范圍為0～5 V，并能實(shí)現(xiàn)AM、FM、FSK、BPSK及Chirp等調(diào)制功能，是一款性?xún)r(jià)比不錯(cuò)的信號(hào)源設(shè)備。

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