引言隨著雷達(dá)探測(cè)、儀表測(cè)量、化學(xué)分析等領(lǐng)域研究的不斷深入，不僅要求定性地完成目標(biāo)檢測(cè)，而且需要往高精度、高分辨率成像的方向發(fā)展。一方面，產(chǎn)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(duì)許多儀器設(shè)備起著關(guān)鍵的作用。另一方面，電子元器件實(shí)際性能參數(shù)并非理想加之外部、內(nèi)部的干擾，大量的誤差因素會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。雙路參數(shù)可調(diào)的信號(hào)源可有效地對(duì)系統(tǒng)誤差、信號(hào)通道間不平衡進(jìn)行校調(diào)，并且可以產(chǎn)生嚴(yán)格正交或相關(guān)的信號(hào)，這在弱信號(hào)檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。為此本文采用雙通道DDS方法，利用STM32微控制器完成了一種高分辨率靈活可調(diào)的雙路信號(hào)源電路設(shè)計(jì)。1 DDS原理及系統(tǒng)方案1.1 DDS工作原理直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis,DDS）是一種以一個(gè)固定頻率的精確時(shí)鐘源為參考，使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的輸出信號(hào)的技術(shù)。本質(zhì)上，DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)是通過可編程的二進(jìn)制控制字所設(shè)置的尺度因子對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行“分頻”?？刂谱滞ǔ?4～48位長，使DDS實(shí)現(xiàn)卓越的輸出頻率分辨率。直接數(shù)字合成器可以通過精密參考時(shí)鐘、地址計(jì)數(shù)器、可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過在數(shù)字信號(hào)鏈路上引入相位累加功能，使這種架構(gòu)成為一個(gè)數(shù)控振蕩器，同時(shí)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位可變模的計(jì)數(shù)器和相位寄存器來替換地址計(jì)數(shù)器，形成一種具有“相位輪”的DDS結(jié)構(gòu)，“相位輪”上的每一點(diǎn)恰好與正弦波周期波形上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)。DDS的輸出頻率為：其中，fout為輸出頻率，M為二進(jìn)制控制字，fc為參考時(shí)鐘源，N為相位累加器的位寬（決定頻率分辨率）。DDS發(fā)展趨勢(shì)是功能集成，在單芯片上增加數(shù)模模塊實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。這些模塊主要有：① 可編程的輸入時(shí)鐘倍頻模塊。② 可編程幅度，相位控制模塊。③ 多波形產(chǎn)生控制模塊。④ 各種調(diào)制及掃描模塊。1.2系統(tǒng)方案整個(gè)信號(hào)源系統(tǒng)主要由STM32微控制器、AD9958、輸出驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、外圍顯示電路和上位機(jī)配置軟件等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。上位機(jī)控制軟件將需要配置（或讀取）的參數(shù)以命令的方式發(fā)送到控制器，控制器解析命令后完成對(duì)芯片的配置或讀取相應(yīng)的參數(shù)回發(fā)到上位機(jī)。系統(tǒng)采用雙通道DDS器件AD9958為頻率發(fā)生器，該器件由兩個(gè)DDS內(nèi)核構(gòu)成[1]，頻率、幅度、相位控制字位寬分別為32位、10位、14位，可滿足高分辨率信號(hào)需求。每個(gè)通道可提供獨(dú)立的頻率、幅度和相位控制，具有卓越的通道隔離度（大于72 dB）。由于兩個(gè)通道采用相同系統(tǒng)參考時(shí)鐘，因此兩個(gè)通道間具有內(nèi)在的同步性，通過菊花鏈連接方式可實(shí)現(xiàn)圖5直接輸出頻譜及時(shí)域波形多個(gè)器件間同步。AD9958另外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，通過外部控制引腳（PWR_DWN_CTL）和內(nèi)部可配置寄存器FR1[7:6]、CFR[7:6]實(shí)現(xiàn)多種低功耗工作模式。2 濾波器及AD9958輸出電路設(shè)計(jì)2.1 LC橢圓低通濾波器的設(shè)計(jì)DDS數(shù)字式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也帶來了輸出雜散的問題[2]。雜散的來源有：① DAC輸出非理想。② 參考時(shí)鐘。③ 幅度量化誤差。④ 相位截?cái)?。相位截?cái)嚯s散以及與相位—幅度轉(zhuǎn)換過程相關(guān)的雜散是DDS設(shè)計(jì)中的有限相位和幅度分辨率造成的結(jié)果，對(duì)于高性能DDS可以忽略，因而雜散的主要來源是DAC輸出非理想和參考時(shí)鐘。其中，DAC輸出功率與量化噪聲比可用下式計(jì)算：SQR=1.67+6.02B+20logFFS (dB) (2)式中,SQR為信噪比，B為DAC分辨率位寬，F(xiàn)FS為DAC輸出滿量程分?jǐn)?shù)（常見值為1/2,1/4,1/8/,1/16）。在時(shí)鐘為300 MHz，輸出為80 MHz時(shí)，DAC采樣輸出幅度譜如圖4所示。對(duì)AD9958器件模型進(jìn)行仿真分析，在無輸出濾波器條件下得到的仿真結(jié)果如圖5所示。圖中PPT表示相位截?cái)嚯s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(shù)據(jù)表如表1所列。表1 AD9958雜散數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)表中可知相位截?cái)啵≒PT）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(huì)明顯改善，輸出譜及波形如圖6所示。根據(jù)AD9958性能參數(shù)，所需設(shè)計(jì)的低通濾波器指標(biāo)如下[3]：類型：橢圓LC濾波器。通帶截止頻率：fc=200 MHz。通帶紋波：ε=0.3。阻帶及衰減：fs=230 MHz，50 dB。輸入/輸出匹配阻抗：100 Ω。最終設(shè)計(jì)出的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真結(jié)果如圖7所示。2.2 信號(hào)源輸出電路由于AD9958頻率輸出是一個(gè)電流型輸出，等效模型為內(nèi)阻為100 kΩ的電流源。DAC輸出電流的滿量程值由外部電阻RSET決定，計(jì)算公式如下：而需要設(shè)計(jì)的信號(hào)源是電壓型輸出并能提供一定的輸出驅(qū)動(dòng)能力，所以需要對(duì)ADC輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)行電流電壓變換，在低頻時(shí)會(huì)造成插入損耗過大，故直接通過終端電阻來轉(zhuǎn)換。輸出驅(qū)動(dòng)放大器采用高速放大器ADA4891。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(kuò)展至負(fù)電源軌300 mV以下，軌到軌輸出級(jí)使輸出擺幅可以達(dá)到各供電軌50 mV以內(nèi)，以提供最大的動(dòng)態(tài)范圍，線性輸出電流150 mA（-50 dBc時(shí)），-3 dB帶寬為240 MHz，功耗僅為4.4 mA。最終設(shè)計(jì)的輸出電路略——編者注。3 配置平臺(tái)設(shè)計(jì)配置平臺(tái)主要由控制器和上位機(jī)軟件構(gòu)建，二者之間通過配置接口實(shí)現(xiàn)命令數(shù)據(jù)交互，完成DDS的配置、控制，參數(shù)讀取?？刂破鬟x用STM32F107，上位機(jī)軟件以VC6.0為平臺(tái)來設(shè)計(jì)[4]，通過串口控件MSComm實(shí)現(xiàn)通信。STM32F107是以CortexM3為內(nèi)核的一款32位處理器，采用該器件主要是基于以下幾點(diǎn)原因：① 接口豐富，帶USART、SPI（SCK時(shí)鐘可達(dá)36 MHz，單線雙線模式）。② 含內(nèi)部FLASH，可以將配置數(shù)據(jù)保存，無需外加非易失存儲(chǔ)器。③ 性能優(yōu)異，功耗低?？刂破鬈浖鞒虉D如圖8所示。上位機(jī)軟件提供一個(gè)良好的可視化界面，通過獲取用戶指定有效參數(shù)（無效則給出錯(cuò)誤報(bào)告），完成下發(fā)命令、接收數(shù)據(jù)、處理下位機(jī)的回發(fā)報(bào)告等任務(wù)。設(shè)計(jì)的軟件界面如圖9所示。用戶可通過界面完成一些常用的配置或直接對(duì)指定的AD9958寄存器進(jìn)行讀寫，還可以將配置存入FLASH，以便控制器下次啟動(dòng)后可直接恢復(fù)輸出。向AD9958內(nèi)部地址0x04（CFTW0寄存器）寫入0x01a80022配置的SPI幀格式（MSB first）如圖10所示。結(jié)語實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信號(hào)源輸出特性良好，具有集成度高、功耗低、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。為了滿足不同應(yīng)用的需求，可調(diào)整濾波器參數(shù)或?qū)V波輸出直接引出。由于采用了外設(shè)豐富的STM32控制器，系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。該信號(hào)源可應(yīng)用于嵌入式儀表測(cè)量、相關(guān)弱信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域，也可作為激勵(lì)源為電路調(diào)試帶來極大方便。(mbbeetchina)