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隨著在雷達探測、儀表測量、化學分析等領域研究的不斷深入，不僅要求定性的完成目標檢測，更加需要往高精度、高分辨率成像的方向發展。一方面，產生頻率、幅度靈活可控，尤其是低相位噪聲、低雜散的頻率源對許多儀器設備起著關鍵作用。另一方面，電子元器件實際性能參數并非理想以及來存在自外部內部的干擾，大量的誤差因素會嚴重影響系統的準確性。雙路參數可調的信號源可有效地對系統誤差、信號通道間不平衡進行較調，并且可以產生嚴格正交或相關的信號，這在弱信號檢測中發揮重要作用。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的雙路信號源電路設計。 1 DDS原理及系統方案 1.1 DDS工作原理 直接數字頻率合成（DDS）是一種以一個固定頻率的精確時鐘源為參考，使用數字數據處理模塊產生頻率和相位可調的輸出信號的技術。本質上，DDS內部結構是通過可編程的二進制控制字所設置的尺度因子對參考時鐘進行“分頻”。控制字通常為24-48位長，使DDS實現卓越的輸出頻率分辨率。直接數字頻率合成器可以通過精密參考時鐘，地址計數器，可編程的只讀存儲器（PROM）和一個D/A轉換器來實現，其結構如圖1所示。 圖1 DDS基本結構 通過在數字信號鏈路上引入相位累加功能，使這種架構成為一個數控振蕩器，同時也是高度靈活DDS器件的核心。如圖2所示，在正弦查找表之前用N-bit可變模的計數器和相位寄存器來替換地址計數器，形成一種具有“相位輪”的DDS結構，“相位輪”上的每一點與恰好與正弦波周期波形上的每一點對應。 圖2 可變頻DDS結構與數字相位輪 DDS的輸出頻率為： 其中，fout為輸出頻率，M為二進制控制字，fc為參考時鐘源，N為相位累加器的位寬（決定頻率分辨率）。 DDS發展趨勢是功能集成，在單芯片上增加數模模塊實現更廣泛的應用。這些模塊主要有： 1)可編程的輸入時鐘倍頻模塊。 2)可編程幅度，相位控制模塊。 3)多波形產生控制模塊。 4)各種調制及掃描模塊。 1.2 系統方案 整個信號源系統主要由STM32控制器、AD9958、輸出電路、濾波電路、外圍電路和上位機配置軟件等構成。系統框圖如圖3所示。 圖3 系統方案框圖 上位機控制軟件將需要配置（或讀取）的參數以命令的方式發送到控制器，控制器解析命令后完成對芯片的配置或讀取相應的參數回發到上位機。系統采用雙通道DDS器件AD9958為頻率發生器，該器件由兩個DDS內核構成，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需求。每個通道可提供獨立的頻率、幅度和相位控制，具有卓越的通道隔離度（大于72dB）。由于兩個通道采用相同系統參考時鐘，因此兩個通道間具有內在的同步性，通過菊花鏈連接方式可實現多個器件間同步。AD9958另外一個突出的優點是低功耗，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）和內部可配置寄存器FR1[7:6]、CFR[7:6]，實現多種低功耗工作模式。 2 濾波器及AD9958輸出電路設計 2.1 LC橢圓低通濾波器的設計 DDS數字式的結構特點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)參考時鐘。 3)幅度量化誤差。 4)相位截斷。 相位截斷雜散以及與相位—幅度轉換過程相關的雜散是DDS設計中的有限相位和幅度分辨率造成的結果，對于高性能DDS可以忽略，因而雜散的主要來源是DAC非理想和參考時鐘。其中DAC輸出功率與量化噪聲比可用下式計算： 式中SQR為信噪比，B為DAC分辨率位寬，FFS為DAC輸出滿量程分數（常見值為1/2,1/4,1/8/,1/16）。 在時鐘為300MHz，輸出為80MHz時，DAC采樣輸出幅度譜如圖4所示。 圖4 采樣輸出譜分析 對AD9958器件模型進行仿真分析，在無輸出濾波器條件下得到的仿真結果如圖5所示。 圖5 直接輸出頻譜及時域波形 圖中PPT表示相位截斷雜散，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。雜散數據表如表1所示。 從數據表中可知相位截斷（PPT）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域波形 根據AD9958性能參數，所需設計的低通濾波器指標如下： 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 最終設計出的濾波器結構參數及仿真結果如圖7(a)、(b)所示。 圖7(a) 7階橢圓低通濾波器結構及參數 圖7(b) 7階橢圓低通濾波器幅頻響應 2.2 信號源輸出電路 由于AD9958頻率輸出是一個電流型輸出，等效模型為內阻為100KΩ的電流源。DAC輸出電流的滿量程值由外部電阻RSET決定，計算公式如下： 而需要設計的信號源是電壓型輸出并能提供一定的輸出驅動能力，所以需要對ADC輸出進行轉換，并在濾波器后插入緩沖放大器。若采用中心抽頭變壓器進行電流電壓變換，在低頻時會造成插入損耗過大，固直接通過終端電阻來轉換。輸出驅動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，輸入電壓范圍可擴展至負電源軌300mV以下，軌到軌輸出級使輸出擺幅可以達到各供電軌50mV以內，以提供最大的動態范圍，線性輸出電流150mA（-50dBc時），-3dB帶寬為240MHz，功耗僅為4.4mA。最終設計的輸出電路如圖8所示。 圖8 AD9958輸出轉換及驅動電路 3 配置平臺設計 配置平臺主要由控制器和上位機軟件構建，二者之間通過配置接口實現命令數據交互，完成DDS的配置、控制，參數讀取。控制器選用STM32F107，上位機軟件以VC6.0為平臺來設計，通過串口控件MSComm實現通信。STM32F107是以Cortex-M3為內核的一款32位處理器，采用該器件主要是基于以下幾點原因： 1)接口豐富，帶USART，SPI（SCK時鐘可達36MHz，單線雙線模式）。 2)含內部FLASH，可以將配置數據保存，無需外加非易失存儲器。 3)性能優異，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 上位機軟件提供一個良好的可視化界面，通過獲取用戶指定有效參數（無效則給出錯誤報告），完成下發命令、接收數據、處理下位機回發報告等任務。設計的軟件界面如圖10所示。 圖10 上位機平臺界面 用戶可通過界面完成一些常用的配置或直接對指定的AD9958寄存器進行讀寫，還可以將配置存入FLASH，以便控制器下次啟動后可直接恢復輸出。向AD9958內部地址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 結語 結果表明信號源輸出特性良好，還具有集成的高、功耗低、配置靈活等優點。為了滿足不同應用的需求，可調整濾波器參數或將濾波輸出直接引出。由于采用了外設豐富的STM32控制器，使系統具有良好擴展性。該信號源可應用于嵌入式儀表測量、相關弱信號檢測等領域，也可作為激勵源為電路調試帶來極大方便。 |
