基于STC12C5410單片機(jī)和AD9957實(shí)現(xiàn)雷達(dá)上變頻器的設(shè)計(jì)

作者：劉大成，齊睿，沈鵬，張洪水

1 引言

在雷達(dá)設(shè)計(jì)中，上變頻電路的作用是將晶體振蕩器產(chǎn)生的雷達(dá)信號混頻成射頻信號，經(jīng)信號放大，達(dá)到發(fā)射機(jī)所需的功率，經(jīng)濾波后將信號送至發(fā)射機(jī)，通過雷達(dá)天線發(fā)射。一般雷達(dá)的上變頻電路采用混頻方式設(shè)計(jì)，由放大器、濾波器、耦合器、隔離器等元器件組成，設(shè)計(jì)存在電路復(fù)雜、穩(wěn)定度不高、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)。因此，選擇QDUC器件AD9957為核心設(shè)計(jì)雷達(dá)上變頻器，取代傳統(tǒng)的上變頻電路。

2 器件介紹

2．1 AD9957

AD9957是一款1 GS／s速度正交數(shù)字上變頻器（ODUC），它有18路I／Q數(shù)據(jù)通道和14位D／A轉(zhuǎn)換器，具有頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、輸出信號頻率和相位可快速程控切換、器件體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此可以很容易地對信號進(jìn)行上變頻操作。該器件還擁有250 MHz的I／O數(shù)據(jù)吞吐量速率，相位噪聲小于－125 dBc／Hz，SFDR（無雜散動態(tài)范圍）大于80 dB，具有增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量的串行I／O端口（SPI），內(nèi)置多器件同步功能，可采用軟件／硬件控制以降低功耗，支持測試向量和幅度斜坡式控制功能，1．8 V供電，超低功耗。

AD9957支持高達(dá)400 MHz輸出的QDUC，內(nèi)部集成有高速DDS、14 bit D／A轉(zhuǎn)換器、時鐘倍頻電路和數(shù)字濾波器。通過一個公用系統(tǒng)時鐘在器件內(nèi)部同步獨(dú)立的通道，AD9957可對由于模擬處理（例如濾波、放大）或PCB布線失配而產(chǎn)生的外部信號通道的不均衡進(jìn)行有效的校正。AD9957的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由并行數(shù)據(jù)時序和控制邏輯、程序寄存器、反向正弦濾波器、內(nèi)插級聯(lián)積分梳狀濾波器、內(nèi)部時鐘控制邏輯A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)寄存器和SPI串行通信接口控制器等組成。圖中Cs為器件的片選信號輸入端，低電平有效。SDIO為雙向引腳，和SDO引腳一起用于串行操作的數(shù)據(jù)輸入和輸出。SCLK為I／O串行操作時鐘輸入端，在該端的上升沿寫入數(shù)據(jù)，下降沿讀出數(shù)據(jù)。IOUT為輸出引腳，有一個互補(bǔ)輸出端，使用時需接電阻至數(shù)字地。

2．2 STC12C5410

單片機(jī)選擇STC12C5410，它是新一代增強(qiáng)型、低功耗51單片機(jī)，具有2 KB非易失。E2PROM和SPI接口，非常方便與AD9957接口實(shí)現(xiàn)對信號的控制。同時由于STC12C5410具有先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)、硬件看門狗、4路．PWM、8路高速A／D轉(zhuǎn)換、超強(qiáng)抗干擾、寬電壓和低功耗等特點(diǎn)，在此作為控制器件使用。

3 工作過程和SPI接口通信

3．1 QDUC工作原理

AD9957有多種工作模式，在此選用數(shù)字上變頻工作模式。18位I路數(shù)據(jù)和18位Q路數(shù)據(jù)并行輸入，輸入過程以交叉存取的方式進(jìn)行，即一組18位的I路數(shù)據(jù)后面緊跟著一組18位的O路數(shù)據(jù)，后面再緊跟著一組18位的I路數(shù)據(jù)，以此類推。對I、Q兩路信號同時進(jìn)行內(nèi)部采樣，每個采樣數(shù)據(jù)以并行方式傳播。I、Q數(shù)據(jù)通道激活后，并行數(shù)據(jù)時鐘保證I、Q數(shù)據(jù)同步傳送。引腳PROFILE和I／O_UPDATE同步并行數(shù)據(jù)時鐘。

數(shù)字頻率合成器核心提供一個積分振蕩器。產(chǎn)生一個求積分的調(diào)制數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流通過反向正弦濾波器發(fā)送。經(jīng)14位D／A轉(zhuǎn)換器，由此產(chǎn)生求積分的調(diào)制模擬輸出信號。

3．2 SPI接口通信

AD9957具有SPI串行通信接口，極易實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信。SPI通信是通過SDIO、SDO、CS和SCLK等引腳實(shí)現(xiàn)的。為能正確傳送數(shù)據(jù)到AD9957的數(shù)據(jù)寄存器，需嚴(yán)格遵循通信命令格式及時序要求。表1為讀取寄存器命令格式。命令序列由8位二進(jìn)制數(shù)組成，第1位為讀／寫控制位，為“1”則讀取寄存器數(shù)據(jù)，為“0”則向寄存器中寫入數(shù)據(jù)；中間兩位為無關(guān)位：最后5位為寄存器選擇位，DO～D4分別對應(yīng)寄存器A0～A4。圖2說明向AD9957寫指令或數(shù)據(jù)的操作時序。

AD9957與單片機(jī)的通訊周期分為2個階段，第1階段為指令周期，當(dāng)SCLK為上升沿時，將8位數(shù)據(jù)依次寫入AD9957中；第2階段為數(shù)據(jù)傳送周期，此時傳送波形參數(shù)的控制字。其中CS為低電平的時間必須為16個時鐘的整數(shù)倍，否則將中止命令。STC12C5410單片機(jī)為了與AD9957的SPI通信相對應(yīng)，單片機(jī)選擇主模式作為主機(jī)工作，AD9957作為從機(jī)工作。按照AD9957的時序圖要求，STC12C5410配置如下：控制位CPHA=1，前時鐘沿驅(qū)動，后時鐘沿采樣，CPOL＝0.SPICLK空閑時為低電平，前時鐘沿為上升沿，后時鐘沿為下降沿。SPI時鐘速率選擇為CPUCLK／16。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

AD9957實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)上變頻電路的原理如圖3所示。該電路由QDUC器件AD9957、晶體振蕩器、放大濾波電路、鍵盤、分壓電阻和單片機(jī)STC12C5410等組成。首先通過鍵盤向單片機(jī)發(fā)送指令參數(shù)，設(shè)置輸出信號參數(shù)。單片機(jī)通過SPI接口與AD9957連接，單片機(jī)設(shè)為主工作模式，完成對AD9957內(nèi)參數(shù)的寫操作。為提高SPI通信的可靠性，在時鐘SCLK、SDIO、SDO各線上可加100 pF的對地電容以濾除干擾毛刺。由于AD9957的IOUT輸出端采用電流輸出方式，所以在輸出端需接對地電阻，將電流信號變?yōu)殡妷盒盘?。IOUT端輸出范圍為8．6～31．6 mA，典型輸出為20 mA，在此選擇阻值為50 Ω的電阻接地，則經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)化后，其輸出電壓約為1 V。在輸出電路的后級，設(shè)計(jì)濾波放大電路，以使電路達(dá)到設(shè)計(jì)的輸出要求，當(dāng)頻率發(fā)生變化時，濾波電路的頻幅特性使其輸出電壓有效值也會發(fā)生一定變化，要求在后級放大電路中加入動態(tài)調(diào)節(jié)放大電路，以使輸出信號幅度達(dá)到要求。

5 軟件設(shè)計(jì)

AD9957的軟件設(shè)計(jì)主要完成SPI數(shù)據(jù)讀取及處理工作，采用匯編語言編寫，程序流程如圖4所示。首先將頻率寫入AD9957中，再將不同的相位寫入其中，使AD9957產(chǎn)生頻率相同、相位不同的I／Q信號，在寫入過程中，將“RESET”置“1”，使AD9957不輸出信號；當(dāng)控制字全部寫入后，調(diào)整后級放大器的倍數(shù)。同時將“RESET”置“0”，使AD9957開始工作，當(dāng)頻率變化時，幅度保持不變。

6 結(jié)束語

QDUC作為上變頻電路的核心，具有高穩(wěn)定性、高精度、高分辨率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是上變頻電路的發(fā)展方向，在雷達(dá)、通訊與測量等許多方面都有重要的應(yīng)用價值。

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