基于AD9851和C8051F021的宽带信号源

2022-05-01 08:05:02 | 浏览次数：

摘要：基于直接数字频率合成（DDS）原理，利用C8051F021单片机作为控制器件，采用AD9851型DDS器件设计一个正弦波信号源。重点介绍信号源的硬件设计和软件设计参数，该信号源输出信号频带较宽、频率稳定度高，波形良好。此信号源具有较强的实用性，在无线通信、地下物探方面具有比较广阔的发展前景。

关键词：地下电波法；直接数字频率合成；AD9851；C8051F021

中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0520016－02

0 引言

地下电波法[1]是地下物探中广泛采用的先进方法之一，它是利用不同频率的无线电波在钻孔或坑道中发射和接收，根据不同位置上接收到的场强大小来确定地下不同介质分布的一种地下物探方法。采用地下电波法的关键技术之一是设计一个频率输出稳定的宽带信号源。

现代信号源的研制都是基于频率合成技术来开展的，现有的频率合成技术发展主要经历了以下三个阶段：直接频率合成技术、锁相环频率合成技术和直接数字频率合成技术。随着数字电路制作水平的不断提高，直接数字频率合成技术已经成为目前运用最广泛的频率合成技术。相比其他频率合成技术而言，采用直接数字频率合成技术开发的信号源输出频率稳定、频率分辨率高、频率切换速度快、输出频带宽。本文以ADI公司生产的DDS芯片AD9851为核心配合单片机C8051F021设计了一款输出频率范围在0.5～30MHz的宽带信号源，该信号源输出波形稳定、频率分辨率高、频率切换速度快，满足地下电磁波法的技术要求，可以直接用于地下电磁波法的工程实现。

1 总体设计方案

设计方案如图1所示，控制上位机通过串口与下位单片机（C8051F021）

通信，下位机接收到上位机的报文信息后并进行解释，然后按照AD9851的控制字模式生成并将配置参数送出给AD9851；AD9851根据接收到的配置参数进行频率合成输出，输出的模拟信号经低通滤波后便可得到满足工程应用要求的正弦波激励信号。为了减少由于外部晶振频率过高引发的相位噪声和其它干扰，本方案采用为30MHz有源晶振作为系统外部时钟源，经芯片内部6倍时钟倍频器后得到180MHz的系统时钟信号。

1.1 AD9851芯片简介

AD9851[2]是ADI公司生产的的直接数字频率合成器，该芯片具有很高的集成度，在内部集成了：独立的频率累加器和相位累加器，一个10位的高速D/A，一个高速比较器，一个6倍的时钟倍频器。图2为AD9851的内部结构图。

该器件输出频带宽，频率与相位均可独立控制。具有32bit的调频字，当在系统时钟为180MHz时，输出信号频率的分辨率可达到0.04Hz；内置的6倍时钟乘法器可避免采用高速参考时钟振荡器，在降低生产成本的同时又提高了系统的抗干扰能力。

AD9851可以通过并行或串行的方式来接收控制字。在并行输入方式下，上位机连续输入5个字节（每个字节8bit）。其中第一个字节包含5bit的相位控制、1bit电源休眠控制、1bit逻辑控制、1bit时钟倍频器使能控制，后面四个字节共32bit代表频率控制字。串行输入方式下的字节内容与并行输入方式一致，区别在于仅需一个输入引脚（pin25）就可以完成所有40bit数据的输入，相比并行输入方式而言，这更适用于对印制板尺寸有严格要求且频率转换速度要求不高的场合。

AD9851的最高系统时钟与芯片的电源电压有直接关系，当芯片采用5V电源供电时，其最高系统时钟频率可达到180MHz，这时它的最高输出信号频率也可达到30MHz。

1.2 C8051F021芯片简介

C8051F021[3]是美国Silicon Laboratories公司近年来推出的一款功能齐全的混合信号在片系统单片机（System OnChip）。其独特的CIP-8051

结构使得单周期指令速度提高到一般51单片机的倍；此外C8051F021微控制器内置A/D和D/A转换器，可方便的搭建一个混合信号系统；单片机具备I2C、SPI、SMbus等各种串型接口，适应具有不同总线接口的器件；不仅如此，C8051F021还具备可编程数字I/O和交叉开关，方便用户根据不同的需求来定义数字引脚的功能。

2 硬件设计

2.1 单片机C8051F021控制核心

本系统运用单片机C8051F021作为控制核心来实现对外围器件的控制，它在完成与上位机通信任务的同时，也负责向AD9851发送控制字节。该方案在技术实现上具有编程简单、接口清晰的特点，在工程实现上具有成本低，容易实现系统集成化的特点。

2.2 与AD9851接口的设计

相对于串行输入方式，并行总线方式虽然占用的单片机引脚数较多，但是用户编程相对简单，且数据传输速度较快（影响到输出频率转换速度），因此本系统中采用并行总线接口与AD9851进行连接。在这种接口方式下，单片机通过连续发送五个字节来改变AD9851的输出频率和相位。其电路原理图如图3所示。

2.3 低通滤波电路的设计

DDS的全数字化工作原理导致了其输出频谱上的杂波分散。这些杂波主要是由于数字器件的非理想特性而产生的幅度量化误差和相位截断误差等因素造成的。为了将在合成过程中产生的各种谐波（为基频的整数倍）、杂散成分过滤掉，必须设计合理的低通滤波器。

滤波器分为有源滤波器和无源滤波器，有源滤波器受制于运放的有限带宽，难以满足系统带宽的要求，结合本设计需求采用无源滤波器。本系统的输出波形为正弦波形，在频谱上表现为单根谱线，故采用椭圆滤波器，考虑到电路复杂性和系统性能要求，采用7阶椭圆滤波器。用归一化图表设计的低通滤波电路如图4所示。

3 软件设计

本系统的软件设计包含界面控制、报文格式约定等，本文仅对频率控制字和相位控制字的计算方法进行展开描述。

3.1 频率控制字的计算

AD9851输出频率的改变通过改变频率控制字来实现。设输出的频率F_out，系统时钟为F_c、相位累加器字长N=32，频率控制字为F_w，存在以下关系式：