基于單片機和AD9858的4頻點快速跳頻設計
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摘要：在分析了DDS基本原理以及AD9858基本特點的基礎上，介紹了AD9858的送數方式及單片機接口程序。給出了利用AD9858內部寄存器來實現跳頻時間小于50ns的４頻點快速跳頻的具體方法。
在電子系統中，常常需要應用頻率合成技術來實現跳頻源設計。頻率合成指對一個高穩定的參考頻率進行各種技術處理，以生成一系列穩定的頻率輸出。目前應用最廣的是鎖相環（ＰＬＬ）頻率合成技術，它是通過改變ＰＬＬ中的分頻比Ｎ來實現跳頻的，但ＰＬＬ無法避免環路鎖定時間縮短與頻率分辨率提高及雜散減小之間的矛盾，因此很難同時滿足高速跳頻和細步長、低雜散的要求。直接數字頻率合成（ＤＤＳ）是一種新的頻率合成技術。它具有頻率分辨率高、頻率切換快、頻率切換時相位連續等優點，因而被廣泛應用于雷達跳頻、通信、電子對抗等系統中。
１ DDS基本原理
ＤＤＳ的原理框圖如圖１所示。相位累加器在Ａ位頻率控制字ＦＣＷ的控制下，以參考時鐘頻率ｆｃ為采樣率來產生待合成信號相位的數字線性序列，然后將其高Ｐ位作為地址碼，通過查詢正弦表ＲＯＭ產生Ｓ位對應信號波形的數字序列Ｓ(ｎ)，再由數模轉換器將其轉化為階梯模擬電壓波形，最后由低通濾波器ＬＰＦ平滑為正弦波輸出。
頻率控制字ＦＣＷ和時鐘頻率ｆｃ共同決定了ＤＤＳ的輸出信號頻率ｆｏ 。其關系是：
輸出頻率：ｆ０＝ＦＣＷ ｆｃ／２Ａ
頻率的分辨率為：ｆｏ＝ｆｃ／２Ａ ２ ＡＤ９８５８的特點及送數方式
ＡＤ９８５８的主要特點：
● 具有１千兆次／秒的采樣速率;
● 具有高達２ＧＨｚ的輸入時鐘(通過２分頻);
● 集成有１０位Ｄ／Ａ轉換器;
● 內含３２位可編程頻率寄存器；
● 帶有８位并行及ＳＰＩ串行控制接口;
● 具有自動頻率掃描功能;
● 內帶４個頻率寄存器;
● 采用３.３Ｖ低電源供電；
● 電荷泵獨立供電電壓可達５Ｖ；
● 集成有２ＧＨｚ混頻器。
由于ＤＤＳ產生的頻率是由頻率控制字ＦＣＷ控制的，改變相應頻率的控制字即可獲得所需頻率。因此ＤＤＳ的送數方法是實現ＤＤＳ跳頻源的關鍵之一。其內部結構框圖如圖２所示。
ＡＤ９８５８有并行和串行兩種送數方式。數據從用戶傳輸到ＤＤＳ器件核心需要兩個步驟。在寫操作時，不管是用并行送數方式還是串行送數方式，用戶都要首先將數據寫入Ｉ／Ｏ緩沖器。只有當數據從Ｉ／Ｏ緩沖器鎖入存儲寄存器，ＤＤＳ的核心才接收到數據。在ＡＤ９８５８中，觸發ＦＵＤ腳或者改變預編程的Ｐｒｏｆｉｌｅ都可以使Ｉ／Ｏ緩沖器中的數據進入ＤＤＳ的核心存儲寄存器。
（１）并行送數模式時，系統應激活八個雙向數據口（Ｄ０～Ｄ７）、六個地址輸入口（ＡＤＤＲ５～ＡＤＤＲ０）、一個讀口（ＲＤ）和一個寫口（ＷＲ），寄存器的選擇由寄存器圖提供的地址決定。讀寫功能由ＲＤ和ＷＲ脈沖觸發控制，但這兩個功能不能同時起作用。讀寫的數據可通過Ｄ０～Ｄ７腳傳輸。
（２）串行送數模式包括兩個階段。第一階段由一個８位的指令周期構成。最高位是標志位，用于確定是讀操作還是寫操作，低六位是串行送數目標寄存器的地址。第二階段就是送數據給寄存器。
許多時候ＤＤＳ都要求快速跳頻，而頻率的快速變化則要求寄存器的頻率控制字快速更新，因此，通常都要求ＤＤＳ選用并行送數。相對于ＡＤＩ公司以往的ＤＤＳ芯片而言ＡＤ９８５８的優勢在于它具有四個頻率寄存器及四個相位補償寄存器這使得它可以方便快速的產生跳頻信號以及四相碼編碼調制信號而且它轉換時間極短。這是因為跳頻的頻率控制字已經送入ＤＤＳ核心寄存器中的四組控制寄存器，頻點之間的選擇是依靠外部選擇信號ＰＳ１和ＰＳ０來實現的。
３ 基于ＡＤ９８５８的快速跳頻設計
３．１ 跳頻電路
送數及四頻點的切換通過單片機來完成。８９Ｃ５１單片機可在５Ｖ電壓下工作，但實驗證明，３．３Ｖ供電時，８９Ｃ５１單片機的工作也是完全正常的，采用單片機和ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５８設計的跳頻原理圖如圖３。
３．２ 軟件程序設計
根據ＡＤ９８５８的時序特點，可將單片機的Ｐ１．０和Ｐ１．１分別與ＲＤ和ＷＲ相連。這樣，編程時就可以對頻率控制字和相位補償字的地址列表作如下具體設置：
ＦＴＷ０＿１ ＥＱＵ ００１０１０１１Ｂ
ＦＴＷ０＿２ ＥＱＵ ００１０１１１１Ｂ
ＦＴＷ０＿３ ＥＱＵ ００１１００１１Ｂ
ＦＴＷ０＿４ ＥＱＵ ００１１０１１１Ｂ
ＰＯＷ０＿１ ＥＱＵ ００１１１０１１Ｂ
ＰＯＷ０＿２ ＥＱＵ ００１１１１１１Ｂ
最低兩位分別是ＲＤ和ＷＲ，初始化時將其均置為高位。三到六位才是送數的地址。一個頻點的送數程序如下：
ＭＯＶ Ｐ３, ４０Ｈ
ＭＯＶ Ｐ１, ＃ＦＴＷ０＿１
ＣＬＲ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＦＵＤ
ＣＬＲ ＦＵＤ
ＭＯＶ Ｐ３, ４０Ｈ
ＭＯＶ Ｐ１, ＃ＦＴＷ０＿２
ＣＬＲ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＦＵＤ
ＣＬＲ ＦＵＤ
ＭＯＶ Ｐ３,４０Ｈ
ＭＯＶ Ｐ１, ＃ＦＴＷ０＿３
ＣＬＲ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＦＵＤ
ＣＬＲ ＦＵＤ
ＭＯＶ Ｐ３, ＃４０Ｈ
ＭＯＶ Ｐ１, ＃ＦＴＷ０＿４
ＣＬＲ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＦＵＤ
ＣＬＲ ＦＵＤ
;
ＭＯＶ Ｐ３, ＃００Ｈ
ＭＯＶ Ｐ１, ＃ＰＯＷ０＿１
ＣＬＲ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＦＵＤ
ＣＬＲ ＦＵＤ
；
ＭＯＶ Ｐ３, ＃００Ｈ
ＭＯＶ Ｐ１, ＃ＰＯＷ０＿２
ＣＬＲ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＷＲ＿
ＳＥＴＢ ＦＵＤ
ＣＬＲ ＦＵＤ
設計時，應先將８位頻率控制字送入單片機的Ｐ３口，再將這８位的地址送入Ｐ１口。由于送８位地址的同時也將ＷＲ置為高位。因此，將ＷＲ置低就可將８位控制字和６位地址送入ＤＤＳ緩沖器。由于頻率的更新只需ＦＵＤ一個上升沿，所以將ＦＵＤ置為高位就可將８位數據送入指定的頻率寄存器（初始化已將ＦＵＤ置為低位），最后再將ＦＵＤ置為低位，以為后邊的頻率更新設置上升沿做準備。
通過一個簡單的程序可將一個頻點的控制字送入ＤＤＳ的存儲寄存器。再通過相同的地址列表和送數方式就可將所需要的其它三個頻點送入ＤＤＳ的存儲寄存器。這樣，通過外部選擇信號ＰＳ１和ＰＳ０就可以快速在這四個頻點間進行切換。
由于ＡＤ９８５８內部的頻率寄存器有限，因此，在跳頻的頻點較多時，每次跳頻都需要改變頻率控制字。ＤＤＳ的實際跳頻時間包括送數和內部切換時間。如果使用內部寄存器通過ＰＳ１和ＰＳ０來控制切換頻率，則跳頻時間只有內部切換時間，所以，這種跳頻是相當快的。
４ 實驗及測試結果
實驗表明（該實驗采用４００ＭＨｚ低相噪時鐘）：ＡＤ９８５８的內部切換時間僅為納秒級。該實驗使用周期邏輯電平控制 ＰＳ１和ＰＳ０，并通過對ＰＳ１和ＰＳ０信號的選擇來實現頻率的切換。最后使用高頻示波器來測試跳頻時間。
筆者進行的第一個實驗是將一個寄存器的頻點ＦＣＷ設為００００００００Ｈ（０ＭＨｚ），另一個寄存器的頻點ＦＣＷ設為２０００００００Ｈ（１２５ＭＨｚ）。測試結果為：從０ＭＨｚ跳頻到１２５ＭＨｚ所用的時間為１７．６ｎｓ。
第二個實驗是將一個寄存器的頻點ＦＣＷ設為１９９９９９９９Ｈ（１００ＭＨｚ），另一寄存器的頻點ＦＣＷ設為２０００００００Ｈ（１２５ＭＨｚ）。測試結果為：從１００ＭＨｚ跳頻到１２５ＭＨｚ所用的時間為３３．６ｎｓ。
５ 結論
從兩次測試的結果來看利用ＡＤ９８５８內部寄存器來實現快速跳頻是完全可行的。由于測試過程中存在數據傳輸延遲，ＰＳ０和ＰＳ１控制電平的上升沿，所以測試存在一定的誤差，實際跳頻時間應比測試結果更短一些。
由于ＡＤ９８５８內部只有四個頻率寄存器，所以跳頻的點有限。在跳頻點不需要很多、跳頻時間要求很短時，此方法優越性十分明顯。
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