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基于STC12C5410单片机和AD9957实现雷达上变频器的设计

电子设计 来源:电子设计工程 作者:刘大成,齐睿,沈 2020-12-28 10:12 次阅读

作者:刘大成,齐睿,沈鹏,张洪水

1 引言

在雷达设计中,上变频电路的作用是将晶体振荡器产生的雷达信号混频成射频信号,经信号放大,达到发射机所需的功率,经滤波后将信号送至发射机,通过雷达天线发射。一般雷达的上变频电路采用混频方式设计,由放大器滤波器耦合器、隔离器等元器件组成,设计存在电路复杂、稳定度不高、调试困难等缺点。因此,选择QDUC器件AD9957为核心设计雷达上变频器,取代传统的上变频电路。

2 器件介绍

2.1 AD9957

AD9957是一款1 GS/s速度正交数字上变频器(ODUC),它有18路I/Q数据通道和14位D/A转换器,具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换、器件体积小、功耗低等优点,因此可以很容易地对信号进行上变频操作。该器件还拥有250 MHz的I/O数据吞吐量速率,相位噪声小于-125 dBc/Hz,SFDR(无杂散动态范围)大于80 dB,具有增强数据吞吐量的串行I/O端口(SPI),内置多器件同步功能,可采用软件/硬件控制以降低功耗,支持测试向量和幅度斜坡式控制功能,1.8 V供电,超低功耗。

AD9957支持高达400 MHz输出的QDUC,内部集成有高速DDS、14 bit D/A转换器、时钟倍频电路和数字滤波器。通过一个公用系统时钟在器件内部同步独立的通道,AD9957可对由于模拟处理(例如滤波、放大)或PCB布线失配而产生的外部信号通道的不均衡进行有效的校正。AD9957的内部结构如图1所示。它由并行数据时序和控制逻辑、程序寄存器、反向正弦滤波器、内插级联积分梳状滤波器、内部时钟控制逻辑A/D转换器、数据寄存器和SPI串行通信接口控制器等组成。图中Cs为器件的片选信号输入端,低电平有效。SDIO为双向引脚,和SDO引脚一起用于串行操作的数据输入和输出。SCLK为I/O串行操作时钟输入端,在该端的上升沿写入数据,下降沿读出数据。IOUT为输出引脚,有一个互补输出端,使用时需接电阻至数字地。

基于STC12C5410单片机和AD9957实现雷达上变频器的设计

2.2 STC12C5410

单片机选择STC12C5410,它是新一代增强型、低功耗51单片机,具有2 KB非易失。E2PROM和SPI接口,非常方便与AD9957接口实现对信号的控制。同时由于STC12C5410具有先进的RISC精简指令集结构、硬件看门狗、4路.PWM、8路高速A/D转换、超强抗干扰、宽电压和低功耗等特点,在此作为控制器件使用。

3 工作过程和SPI接口通信

3.1 QDUC工作原理

AD9957有多种工作模式,在此选用数字上变频工作模式。18位I路数据和18位Q路数据并行输入,输入过程以交叉存取的方式进行,即一组18位的I路数据后面紧跟着一组18位的O路数据,后面再紧跟着一组18位的I路数据,以此类推。对I、Q两路信号同时进行内部采样,每个采样数据以并行方式传播。I、Q数据通道激活后,并行数据时钟保证I、Q数据同步传送。引脚PROFILE和I/O_UPDATE同步并行数据时钟。

数字频率合成器核心提供一个积分振荡器。产生一个求积分的调制数据流,数据流通过反向正弦滤波器发送。经14位D/A转换器,由此产生求积分的调制模拟输出信号。

3.2 SPI接口通信

AD9957具有SPI串行通信接口,极易实现与单片机的通信。SPI通信是通过SDIO、SDO、CS和SCLK等引脚实现的。为能正确传送数据到AD9957的数据寄存器,需严格遵循通信命令格式及时序要求。表1为读取寄存器命令格式。命令序列由8位二进制数组成,第1位为读/写控制位,为“1”则读取寄存器数据,为“0”则向寄存器中写入数据;中间两位为无关位:最后5位为寄存器选择位,DO~D4分别对应寄存器A0~A4。图2说明向AD9957写指令或数据的操作时序。

AD9957与单片机的通讯周期分为2个阶段,第1阶段为指令周期,当SCLK为上升沿时,将8位数据依次写入AD9957中;第2阶段为数据传送周期,此时传送波形参数的控制字。其中CS为低电平的时间必须为16个时钟的整数倍,否则将中止命令。STC12C5410单片机为了与AD9957的SPI通信相对应,单片机选择主模式作为主机工作,AD9957作为从机工作。按照AD9957的时序图要求,STC12C5410配置如下:控制位CPHA=1,前时钟沿驱动,后时钟沿采样,CPOL=0.SPICLK空闲时为低电平,前时钟沿为上升沿,后时钟沿为下降沿。SPI时钟速率选择为CPUCLK/16。

4 硬件电路设计

AD9957实现的雷达上变频电路的原理如图3所示。该电路由QDUC器件AD9957、晶体振荡器、放大滤波电路、键盘、分压电阻和单片机STC12C5410等组成。首先通过键盘向单片机发送指令参数,设置输出信号参数。单片机通过SPI接口与AD9957连接,单片机设为主工作模式,完成对AD9957内参数的写操作。为提高SPI通信的可靠性,在时钟SCLK、SDIO、SDO各线上可加100 pF的对地电容以滤除干扰毛刺。由于AD9957的IOUT输出端采用电流输出方式,所以在输出端需接对地电阻,将电流信号变为电压信号。IOUT端输出范围为8.6~31.6 mA,典型输出为20 mA,在此选择阻值为50 Ω的电阻接地,则经电流电压转化后,其输出电压约为1 V。在输出电路的后级,设计滤波放大电路,以使电路达到设计的输出要求,当频率发生变化时,滤波电路的频幅特性使其输出电压有效值也会发生一定变化,要求在后级放大电路中加入动态调节放大电路,以使输出信号幅度达到要求。

5 软件设计

AD9957的软件设计主要完成SPI数据读取及处理工作,采用汇编语言编写,程序流程如图4所示。首先将频率写入AD9957中,再将不同的相位写入其中,使AD9957产生频率相同、相位不同的I/Q信号,在写入过程中,将“RESET”置“1”,使AD9957不输出信号;当控制字全部写入后,调整后级放大器的倍数。同时将“RESET”置“0”,使AD9957开始工作,当频率变化时,幅度保持不变。

6 结束语

QDUC作为上变频电路的核心,具有高稳定性、高精度、高分辨率、低功耗等优点,是上变频电路的发展方向,在雷达、通讯与测量等许多方面都有重要的应用价值。

责任编辑:gt

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