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基于AD9858的宽带线性调频源设计

作者:时间:2018-09-10来源:网络收藏

摘要:作为高性能DDS单片集成电路,9858可方便快速地产生线性调频、单频脉冲信号。现代雷达技术的发展对信号源的性能提出了更高的要求,越来越多的雷达采取宽频带的线性调频信号体制。高性能的9858为简化频率源电路设计、提高电路性能提供了一条新的途径。从某频率源的要求出发,介绍了一种线性扫频信号的实现方案,阐述了DDS时钟产生电路、耦合滤波电路、上位机软件功能等方面的设计,进行了必要的仿真,并给出了最终设计的信号源的测试结果。表明9858在通信设备、军事以及航空雷达的设计当中是很有应用前景的。
关键词:AD9858;线性调频;ADF4360;DDS

0 引言
雷达技术的高速发展对雷达信号源的性能提出了更高的要求。宽工作频段、高精度、高稳定、快速跳变、复杂多变的调制形式已成为衡量雷达信号源性能的重要指标。高性能的DDS技术为此问题的解决关系提供了一种新的途径。直接数字频率合成(DDS)技术,具有极高的频率分辨率、极短的频率转换时间,以及频率转换时信号相位连续等优点,已经在通信、雷达、电子对抗等领域得到了广泛的应用。AD9858是美国AD公司推出的高性能DDS单片集成电路,可方便快速的产生线性调频、单频脉冲及编码调制信号。在工作时钟频率1 GHz条件下,能直接产生高达400MHz的输出频率,克服了以前DDS产品由于时钟频率低,使得直接输出频率上限较低,实际工作频带较窄的缺陷,能够满足微波雷达信号产生的需求。

1 方案设计
某频率源需要产生中心频率为300 MHz、带宽最大为62.5 MHz、时宽和带宽可调的线性调频信号或中心频率为300 MHz并且频率可调的单频调试信号,要求输出信号稳定,低杂散,并实现不同信号之间的快速跳转。基于上述指标,以前的DDS器件由于器件性能限制,如AD9854只能产生中心频率为几十兆赫兹、带宽为几兆赫兹的线性调频信号,然后经过多次倍频或经过上变频来实现上述指标要求,因而电路结构复杂,可靠性低。而AD9858作为一款高性能的DDS器件,在工作时钟频率为1 GHz条件下,能直接产生高达400 MHz的输出频率,可方便快速地产生线性调频、单频脉冲及编码调制信号。本文的方案是某频率源中的中频产生模块,将AD9858与MCU相结合产生中心频率为300 MHz的脉宽和带宽可调的线性调频信号或中心频率为300 MHz频率可调的点频测试信号。具体的实施方案如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/388737.htm


该方案主要由MCU控制单元、DDS、DDS时钟产生(2 GHz时钟)、耦合滤波电路、RS 232接口等组成。
上位机通过RS 232接口与MCU通信,可以方便地设置DDS输出信号的形式:点频信号(中心频率)、线性扫频信号(中心频率、带宽、脉宽)。由于该频率源同时还要求输出1路2 GHz的信号。方案采用AD公司的高性能电荷泵型集成频率综合芯片ADF4360-2来产生2 GHz的信号。ADF4360-2内置低噪声数字鉴相器、精确电荷泵、可编程参考分频器、可编程计数器、计数器及双模前置分频器(P/P+1)以及内部VCO等部件。输出频率范围为1700~2100MHz。外部晶振信号输入ADF4360-2芯片,通过对ADF4360-2的正确配置和搭接合适的外部电路,设计放大、滤波电路,就可产生满足系统和AD9858的时钟要求的频率信号。ADF4360-2输出的信号对于二次谐波的抑制根据以往的工程经验在25 dBc左右。为了给AD9858提供高质量的时钟信号,ADF4360-2的输出需要接滤波器滤除输出信号的二次谐波。方案中将该放大滤波后输出的一路信号作为DDS的时钟使用,DDS部分采用了AD公司的DDS芯片AD9858,MCU控制DDS对输入时钟2分频,可使DDS的工作时钟为1 GHz。MCU对ADF4360-2的寄存器写入流程如下:
(1)写入R寄存器;
(2)写入C寄存器;
(3)写入N寄存器。
其中:R寄存器的值设置为0000191;C寄存器的值设置为0FE148;N寄存器的值设置为00FA02。鉴相频率选择为10 MHz,环路带宽选择为100 kHz,利用ADIsimPLL软件经过仿真,杂波抑制可控制在-80 dBc以下,在偏离中心频率10 kHz~1 MHz时,相位噪声小于-95 dBc/Hz,该信号的性能能够满足AD9858对时钟信号的要求。仿真结果如图2所示。


控制部分的MCU采用ATmega8515,主要完成三个功能:一是对ADF4360-2的配置(控制寄存器、R寄存器和N寄存器),使ADF4360-2能够稳定锁定,输出高质量的2 GHz频率信号;二是与上位机通信,接收上位机的命令字(扫频、点频、起始和终止频率、脉宽),对信号源的状态进行监控;三是按照接收到的命令字对AD9858进行配置,控制输出相应的频率信号。
AD9858具有三种工作模式:单音频工作模式、扫频工作模式、睡眠工作模式。
要设置AD9858工作在单音频模式,需要设置的寄存器为:CFR寄存器(设置相应的时钟、混频器、I/O端口等功能)、FTW0寄存寄存器。
输出频率的计算公式为:

式中:FTW是FTW寄存器需要设置的值;n是相位累加器分辨率,n=32;SYSCLK是系统时钟值,在该方案中n=1 GHz。
要设置AD9858工作在扫频工作模式,需要配置的寄存器有:CFR寄存器、FTW寄存器、DFTW寄存器(用于步进频率调节)、DFRRW寄存器(步进频率斜率控制)、POW寄存器(相位偏移控制)。AD9858的数据读写有串行和并行两种方式,MCU对AD9858选用串行读/写模式。AD9858的输出IOUT,IOUT经过变压器耦合、带通滤波器滤波后得到杂波抑制性能较好的信号。耦合、滤波电路如图3所示。


上位机软件的功能如下:
(1)建立人机界面功能,与频率源进行串行通信;
(2)通过界面设置频率源的工作模式:扫频工作模式、点频工作模式;
(3)设置频率源的输出频率,扫频周期等参数,MCU利用这些参数来设置AD9858;
上位机界面是利用VC软件编制的,如图4所示。

2 测试结果
利用该线性调频信号产生电路作为中频,与一个高频信号经过上变频、倍频、滤波、放大等电路,产生了X波段的线性扫频源,X波段的线性扫频源的频谱如图5所示,扫频带宽为125 MHz,信号的相噪和杂散都控制在比较好的指标内。通过图4中的设置界面设置起始频率、终止频率、脉冲宽度,可通过频谱仪观察到形状、特性不同的频谱。



3 结语
本文介绍了利用AD9858设计高中心频率、线性调频信号的设计方案。重点阐述了DDS时钟产生电路、耦合滤波电路、上位机软件功能等方面的设计,进行了必要的仿真,并给出了测试结果。从技术发展来看,作为高性能DDS器件,AD9858非常适合用在无线设备、军事以及航空雷达的设计当中。



关键词: AD 宽带 调频源

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