基于AD9852的基準(zhǔn)源設(shè)計

0 引 言
    直接數(shù)字頻率合成(DD6)是一種以固定的精確時鐘源為基準(zhǔn)，利用數(shù)字處理模塊產(chǎn)生頻率和相位均可調(diào)的輸出信號的技術(shù)。隨著超大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高性能、高集成度和小體積的DDS產(chǎn)品正快速取代傳統(tǒng)的模擬信號頻率合成技術(shù)，成為了這類問題新的解決方案。本文利用FPGA計算出相應(yīng)的頻率控制字，并對DDS芯片AD9852進(jìn)行編程，最終得到所要求的輸出波形。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
    基準(zhǔn)源主要由上位機(jī)控制、FPGA控制、DDS、參考源、調(diào)制信號源及波形輸出模塊組成，如圖1所示。上位機(jī)控制單元是由計算機(jī)通過USB總線連接至電路板進(jìn)行控制操作。FPGA控制單元實現(xiàn)與上位機(jī)控制單元交互信息，同時以并行方式向DDS芯片發(fā)送控制字，以管理其內(nèi)部寄存器。參考源為DDS提供高精準(zhǔn)的時鐘晶振，確保DDS輸出信號的頻譜純度。調(diào)制信號單元為DDS提供外部調(diào)制信息。波形輸出模塊由低通濾波器、運算放大器及電阻網(wǎng)絡(luò)組成，主要完成DDS輸出信號的濾波，放大等功能。

    系統(tǒng)上電復(fù)位后，電路板上的綠色LED二極管閃爍提示整機(jī)處于正常狀態(tài)。當(dāng)有DDS波形輸出時，電路板上的藍(lán)色LED二極管閃爍提示工作正常。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計
2．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    基準(zhǔn)源的上位機(jī)控制采用C語言編程實現(xiàn)，主要完成對FPGA內(nèi)部寄存器的讀寫操作，進(jìn)而控制板上各種硬件資源的管理。另外，DDS的頻率控制字的計算也由上位機(jī)軟件計算得到。FPGA接收到上位機(jī)的命令，經(jīng)解析后向DDS的內(nèi)部寄存器寫入控制字，完成相應(yīng)功能。同時，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)電路板上的各種時鐘管理。系統(tǒng)軟件的總體工作流程如圖2所示。

2．2 頻率控制設(shè)計
    本文采用DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率可調(diào)的波形，具有頻率分辨率高，相位連續(xù)等優(yōu)點。DDS基本框圖如圖3所示。

    DDS的基本結(jié)構(gòu)包括：相位累加器，正弦查找表ROM，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC等。DDS有兩個主要缺點：一是輸出頻率低，二是輸出頻譜中雜散多。輸出頻率低主要受DDS工作頻率的限制，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，這個缺陷會逐漸得到彌補。DDS輸出頻譜中的雜散是DDS所固有的，這是由DDS的工作方式?jīng)Q定的。

    DDS的基本工作原理是：相位累加器在N位頻率控制字FTW的控制下，以參考時鐘頻率fc為采樣率，產(chǎn)生待合成信號的數(shù)字線性相位序列，將其高M(jìn)位作為地址碼通過正弦查詢表ROM變換，產(chǎn)生L位對應(yīng)信號波形的數(shù)字序列S(n)，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為階梯模擬電壓波形S(t)，最后由具有內(nèi)插作用的低通濾波器LPF將其平滑為連續(xù)的正弦波形作為輸出。FTW和fc時鐘頻率共同決定了DDS輸出信號的頻率fo，它們之間關(guān)系滿足：
    

 由上可知，DDS技術(shù)可以理解為數(shù)字信號處理中信號綜合的硬件實現(xiàn)問題，即給定信號幅度、頻率、相位參數(shù)，產(chǎn)生所需要的信號波形。從系統(tǒng)的角度可以認(rèn)為是給定輸入時鐘fc和頻率控制字FTW，輸出某一對應(yīng)的正弦信號。另外，也可以認(rèn)為DDS是一個可變的程序小數(shù)分頻器。
    本文中的DDS芯片采用的是Analog Device公司生產(chǎn)的AD9852芯片，時鐘頻率最高可以達(dá)到300MHz，內(nèi)部集成了12位DAC，相位累加器的位數(shù)為48位，并且具有FSK，PSK等數(shù)字調(diào)制功能。AD9852是具有高集成度的DDS芯片，內(nèi)部結(jié)合有高速性能的DAC和一個比較器，構(gòu)成了一個數(shù)字可編程的合成器。當(dāng)給定一個精確的參考時鐘源時，AD9852就會產(chǎn)生一個高穩(wěn)定度，頻率、相位及幅度均可編程的正弦波輸出。AD9852的頻率控制字達(dá)到48位，使其頻率分辨率可達(dá)1μHz。其相位截斷到17位，使得AD9852具有極好的自由雜散動態(tài)范圍SFDR。AD9852還提供14位的數(shù)字控制的相位調(diào)制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    整機(jī)上電復(fù)位后，為設(shè)置某一頻率值，需要將頻率控制字從高位至低位依次以并行方式寫入AD9852的地址04h至地址09h，VreilogHDL程序代碼如下：

2．3 幅度控制設(shè)計
    AD9852內(nèi)嵌電流輸出型DAC，改變其輸出幅值有兩種方法：1)AD9852的輸出最大幅值由連接至56引腳的電阻Rset決定，最大滿擺幅輸出電流為20mA，電阻Rset與輸出電流Iout的關(guān)系為：Iout=39．9／Rset；2)AD9852的地址21h、22h為幅度控制寄存器，更改其控制字即可改變輸出信號幅值。

    整機(jī)上電復(fù)位后，為設(shè)置某一幅值，需要將幅度控制字從高位至低位依次以并行方式寫入AD9852的地址21h、22h，VreilogHDL程序代碼如下：

2．4 AM設(shè)計
    基于2.3討論的幅度控制設(shè)計，加入外調(diào)制信號可進(jìn)一步實現(xiàn)AM調(diào)制，其中，外部調(diào)制信號的產(chǎn)生框圖如圖5所示：

    圖5中，RAM存儲外調(diào)制信號波形，本文中需要存儲正弦波波形，由RAM和FPGA共同構(gòu)建NCO。存儲的數(shù)值由上位機(jī)計算得出，并通過FPGA寫入RAM中。RAM中的數(shù)據(jù)被FPGA讀出后，由數(shù)字乘法器對其進(jìn)行放大，乘系數(shù)因子由AM的調(diào)幅深度決定。向AD9852的地址21h、22h(幅度控制寄存器)寫入外部調(diào)制信號所對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)調(diào)制速率、調(diào)制深度均可控的AM調(diào)制。
2．5 波形輸出設(shè)計
    AD9852所產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的余弦DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對其輸出信號進(jìn)行濾波處理。本文中，為了降低AD9852內(nèi)部系統(tǒng)時鐘的干擾，采用了具有下降速度更快、且較窄過渡帶特性的7階橢圓濾波器。如圖6所示。

    AD9852輸出信號的幅度范圍較小，需要根據(jù)實際應(yīng)用情況進(jìn)行放大處理，本文采用運算放大器LM7171搭建負(fù)反饋放大電路。

3 結(jié)束語
    本文介紹了基準(zhǔn)源的設(shè)計方法，采用DDS技術(shù)，具有頻率分辨率高、相位連續(xù)、低相噪低雜散等優(yōu)點?；鶞?zhǔn)源的頻率、幅度均可控。同時，論述了AM的實現(xiàn)方法，相對于傳統(tǒng)模擬方式的設(shè)計方法，更加輕便、小巧，且線性度良好，便于校準(zhǔn)和批生產(chǎn)。該DDS已使用于便攜式信號源中，經(jīng)實測整機(jī)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在總參某項目中得到實際應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，具有推廣價值。