基于CPLD控制的DDS數(shù)字頻率合成器設(shè)計(jì)

    摘要：介紹了ADI公司新一代DDS芯片AD9952和XILINX公司新一代CPLD產(chǎn)品XC2C128的主要性能，提出了用XC2C128作控制電路，由AD9952構(gòu)成寬帶、低相噪、低功耗數(shù)字合成頻率源的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)如何提高DDS頻譜純度進(jìn)行了探討，給出了超寬帶應(yīng)用電路解決方案。

    關(guān)鍵詞：AD9952；XC2C128；頻率源；頻譜改善；諧波；CPLD

ＤＤＳ是直接數(shù)字合成（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是近年來隨著數(shù)字集成電路和計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的頻率合成技術(shù)。該技術(shù)從相位概念出發(fā)來對(duì)頻率進(jìn)行合成。它采用數(shù)字取樣技術(shù),將參考信號(hào)的頻率、相位、幅度等參數(shù)轉(zhuǎn)變成一組取樣函數(shù)，然后直接運(yùn)算出所需要的頻率信號(hào)。由于是全數(shù)字結(jié)構(gòu)，其輸出信號(hào)中含有大量雜散譜線。另外，其超寬頻帶信號(hào)也將遇到諧波電平高，從而難以抑制諧波等問題。這些問題嚴(yán)重影響了ＤＤＳ輸出信號(hào)的頻譜純度，也成為限制其應(yīng)用的主要因素。本文提出了一種解決此問題的電路方案，并對(duì)如何改善信號(hào)源的頻譜質(zhì)量進(jìn)行了討論。

１ ＡＤ９９５２芯片介紹

１．１ ＡＤ９９５２的主要特點(diǎn)

ＡＤ９９５２是ＡＤＩ公司２００３年推出的新產(chǎn)品。該芯片能以早期ＤＤＳ芯片十分之一的功耗提供速度高達(dá)４００ＭＨｚ的內(nèi)部時(shí)鐘，可合成高達(dá)１６０ ＭＨｚ的頻率。ＡＤ９９５２的主要性能如下：

●具有高達(dá)４００ＭＨｚ的內(nèi)部時(shí)鐘，可單端或雙端差分輸入，并附有ＰＬＬ參考時(shí)鐘和可編程乘法器（４倍～２０倍）。

圖1

    ●超低功耗，１.８Ｖ時(shí)的功耗小于２５０ｍＷ。

●內(nèi)部集成有１４位ＤＡＣ和超高速比較器，可產(chǎn)生高穩(wěn)定度的方波輸出。

●內(nèi)含３２位相位累加器和１９位正弦查詢表ＲＯＭ。

●含有可編程的相位／幅度抖動(dòng)電路；可以減小由于相位截?cái)嗪停模粒昧炕`差帶來的雜散。

●ＤＡＣ輸出相位噪聲小于－１２５ｄＢｃ／Ｈｚ／１ｋＨｚ；動(dòng)態(tài)性能為：８０ｄＢ ＳＦＤＲ＠１３０ＭＨｚ（偏移±１００ｋＨｚ）。

●采用２線或３線串口控制，４８腳ＥＰＡＤ－ＴＱＦＰ封裝形式。

１．２ ＡＤ９９５２的結(jié)構(gòu)原理

ＡＤ９９５２的內(nèi)部功能框圖如圖１所示。

ＡＤ９９５２共有６種時(shí)鐘輸入模式，通過ＣｌｋＭｏｄｅ-Ｓｅｌｅｃｔ管腳、ＣＦＲ２＜０＞和ＣＦＲ２＜７?３＞（ＣＦＲ２為２４位的第二控制功能寄存器）可決定使用哪種模式。

ＰＬＬ的控制則通過控制功能寄存器的５位參考時(shí)鐘倍乘器來實(shí)現(xiàn)（即ＣＦＲ２＜７?３＞）。當(dāng)編程數(shù)據(jù)在０Ｘ０４～０Ｘ１４（十進(jìn)制即：４～２０）之外時(shí)，ＰＬＬ被旁路，此時(shí)ＰＬＬ處于節(jié)電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，直接使用參考晶振作時(shí)鐘時(shí)，其輸出信號(hào)的相噪、雜散電平、ＳＦ-ＤＲ性能比使用倍乘器時(shí)有較大的改觀；而付出的代價(jià)是必須采用頻率較高的晶振，成本有所增加。

ＡＤ９９５２中的１４位ＤＡＣ可輸出兩路互補(bǔ)信號(hào)，這種差分形式的輸出可減少ＤＡＣ輸出可能存在的共模噪聲，提高信噪比。輸出電流由連接在ＤＡＣ＿ＲＳＥＴ管腳與ＤＡＣ地之間的Ｒｓｅｔ決定：

Ｒｓｅｔ＝３９．１９／Ｉｏｕｔ

最大輸出電流為１５ｍＡ，但是從最優(yōu)化ＳＦＤＲ的角度考慮，一般取輸出電流為１０ｍＡ。

ＡＤ９９５２采用單點(diǎn)頻工作模式，與其他芯片相比功能上有些單一。凡是存儲(chǔ)在ＦＴＷ０中的控制字就會(huì)被提供給相位累加器進(jìn)行累加；將一個(gè)新的控制字寫入ＦＴＷ０并發(fā)出Ｉ／Ｏ ＵＰＤＡＴＥ命令即可改變輸出頻率值。通過相位偏置寄存器可以調(diào)整輸出信號(hào)的相位。

    ＡＤ９９５２內(nèi)部共有１６個(gè)８位控制寄存器，可分別用來控制輸出信號(hào)的頻率、相位、幅度、同步以及器件操作等。與ＡＤＩ公司先前的系列產(chǎn)品不同，ＡＤ９９５２只采用串口進(jìn)行控制。該串口可兼容多種同步傳輸格式，如：ＭＯＴＯＲＯＬＡ ６９０５／１１ ＳＰＩ和ＩＮ-ＴＥＬ８０５１ ＳＳＲ協(xié)議等。

在ＡＤ９９５２的串口操作中，表１所列的指令字（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｗｏｒｄ）具有重要作用。其中指令字Ａ＜４:０＞用于指定具體哪一個(gè)寄存器被訪問；ＭＳＢ位為高時(shí)，進(jìn)行讀操作；為低時(shí)，進(jìn)行寫操作。

表1 AD9952的指令表

在每一個(gè)通信周期中，控制電路的前８?jìng)€(gè)時(shí)鐘周期用來寫入指令字，之后對(duì)應(yīng)于不同寄存器的數(shù)據(jù)被串行輸入到ＡＤ９９５２，傳送的字節(jié)數(shù)與被訪問的寄存器有關(guān)。比如：當(dāng)需要訪問ＣＦＲ２寄存器時(shí)，由于ＣＦＲ２是３個(gè)字節(jié)，所以，指令字后的３字節(jié)就默認(rèn)為是需要傳送的內(nèi)容。傳完３字節(jié)，一個(gè)通信周期也就完成了。

２ ＸＣ２Ｃ１２８芯片介紹

ＸＣ２Ｃ１２８是Ｘｉｌｉｎｘ公司ＣｏｏｌＲｕｎｎｅｒⅡ系列中有１２８?jìng)€(gè)宏單元的ＣＰＬＤ器件。這種器件包含了１６個(gè)內(nèi)部互聯(lián)的功能塊（ＡＩＭ）?每個(gè)ＡＩＭ能為功能塊提供４０個(gè)輸入，每個(gè)功能塊包含１６個(gè)宏單元，這些宏單元同時(shí)包含了大量的配置寄存器。

另外，這些寄存器能被全局預(yù)置和復(fù)位，也可以被提前設(shè)置成Ｄ或Ｔ觸發(fā)器?？梢杂卸喾N時(shí)鐘信號(hào)，分別為全局或局部的電路服務(wù)。例如在同步時(shí)，可以同時(shí)應(yīng)用三個(gè)不同的時(shí)鐘信號(hào)。

下面是ＸＣ２Ｃ１２８的一些主要特性：

●可采用１．５Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ等電源供電，ＸＣ２Ｃ１２８內(nèi)部有兩個(gè)ＢＡＮＫ，因而允許采用不同電壓供電而不需電壓轉(zhuǎn)換器：

●片延時(shí)僅５ｎｓ；

●在１.８Ｖ供電時(shí)，靜態(tài)電流可低至２５μＡ；

●采用ＲｅａｌＤｉｇｉｔａｌ ＣＰＬＤ技術(shù)和先進(jìn)的低功耗高速可編程邏輯技術(shù)；具有低至３３μＷ的靜態(tài)功耗；

●帶有輸入滯回和可編程地（ＧＮＤ），提高了高速Ｉ／Ｏ信號(hào)完整性；

●可提供多種封裝形式；

●采用通用的ＪＴＡＧ接口；

●帶有雙邊緣觸發(fā)器，因而速度更快；

●帶有多種ＬＶＣＭＯＳ、ＨＳＴＬ和ＳＳＴＬ Ｉ／Ｏ，其靈活的Ｉ／Ｏ可支持多種器件接口；

●具有四級(jí)設(shè)計(jì)保密功能；

●具有靈活的時(shí)鐘模式，可以直接采用外部時(shí)鐘，也可以利用內(nèi)部的時(shí)鐘分頻器（包括２、４、６、８、１０、１２、１４、１６分頻）。

３　基于ＣＰＬＤ和ＤＤＳ的數(shù)頻源設(shè)計(jì)

圖２所示是一個(gè)數(shù)字頻率合成器的總體框圖。圖中，先由ＣＰＬＤ芯片根據(jù)ＤＤＳ需要的輸出頻率計(jì)算出頻率控制字，然后附上ＤＤＳ寄存器地址輸出給ＤＤＳ芯片，同時(shí)輸出一路信號(hào)給開關(guān)，以便分段進(jìn)行后續(xù)處理。

為了實(shí)現(xiàn)極低噪聲，首先注意晶振的選取，因?yàn)楦鶕?jù)資料分析，輸出信號(hào)的相位噪聲取決于時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲，并將以２０ｌｏｇ（Ｆｏｕｔ／Ｆｃｌｋ）的規(guī)律變化，這意味著在輸出信號(hào)頻率不變的情況下，１０ＭＨｚ時(shí)鐘信號(hào)所產(chǎn)生的相位噪聲將會(huì)比１００ＭＨｚ時(shí)鐘信號(hào)惡化２０ｄＢ。所以必須選取相噪指標(biāo)極低的高頻率晶振作為ＤＤＳ的時(shí)鐘。同樣，根據(jù)２０ｌｏｇ（Ｆｏｕｔ／Ｆｃｌｋ）的公式，在時(shí)鐘不變的情況下，１００ＭＨｚ輸出信號(hào)的相位噪聲也會(huì)比１０ＭＨｚ輸出信號(hào)惡化２０ｄＢ。

由于工作頻帶的相對(duì)帶寬很寬，因此降低輸出頻譜諧波電平是著重考慮的問題。如果按照原來的辦法，在輸出信號(hào)后加一級(jí)濾波器選擇信號(hào)，那么無用的諧波分量就會(huì)混入到有用信號(hào)帶寬內(nèi)，從而造成諧波電平超標(biāo)，頻譜質(zhì)量降低。因此可以考慮將輸出信號(hào)頻帶分段，即由選通開關(guān)分配給幾組濾波鏈，最后再合成ｆ１～ｆ２ ４．５倍頻程寬帶信號(hào)；濾波器要求帶外抑制特性好，帶內(nèi)平坦度好，插損盡可能小。選通開關(guān)控制信號(hào)可由ＣＰＬＤ控制電路給出。

ＡＤ９９５２時(shí)鐘輸入采用雙端差模輸入，由外部晶振通過差分器提供。將時(shí)鐘工作模式的選擇管腳接地，即直接應(yīng)用參考時(shí)鐘頻率的工作模式。輸出ＩＯＵＴ和ＩＯＵＴ是一對(duì)互補(bǔ)信號(hào)，這種差分形式可以減少輸出的共模噪聲、提高信噪比；ＤＡＣ＿ＲＳＥＴ通過可調(diào)電阻接地，有利于找到能夠抑制噪聲的最佳的電阻值；ＤＡＣＢＰ通過一個(gè)０．０１μＦ的電容接至模擬電源，可以改善其諧波失真和雜散電平性能；ＤＤＳＲＥ-ＳＥＴ由按鍵開關(guān)控制，按下并抬起可形成一個(gè)寬幅脈沖來使ＡＤ９９５２復(fù)位；串口輸入控制由ＤＤＳＣＬＫ、ＤＤＳＤＡＴＡ、ＤＤＳＣＳＢ、ＤＤＳＩＯＵＰＤＡＴＥ組成，全部由控制電路輸出；它們之間的關(guān)系是：由ＤＤＳＣＬＫ提供串行時(shí)鐘，并在它的作用下ＤＤＳＣＳＢ由高變低時(shí)，使ＤＤＳ芯片處于使能狀態(tài)，然后輸出一個(gè)完整的控制數(shù)據(jù)（包括寄存器地址和頻率控制字的內(nèi)容），之后再將ＤＤＳＩＯＵＰＤＡＴＥ由低變高，使已傳輸?shù)剑粒模梗梗担驳臄?shù)據(jù)產(chǎn)生作用并使輸出頻率發(fā)生跳變，從而完成了一個(gè)動(dòng)作。繼而完成ＣＰＬＤ作為控制電路要實(shí)現(xiàn)的主要功能。

通過對(duì)ＡＤ９９５２的分析可知，控制電路必須輸出４組信號(hào)給ＤＤＳ芯片，包括ＤＤＳＤＡＴＡ、ＤＤＳＣＳＢ、ＤＤＳＳＣＬＫ和ＤＤＳＩＯＵＰＤＡＴＥ，同時(shí)還要輸出兩組信號(hào)給后面的頻選開關(guān)。ＤＤＳＤＡＴＡ信號(hào)是寄存器地址和頻率控制字的總和,共有４０位；ＤＤＳＣＳＢ作為芯片的使能信號(hào)是單獨(dú)脈沖；ＤＤＳＳＣＬＫ是串行時(shí)鐘，ＤＤＳＩＯＵＰＤＡＴＥ也是單獨(dú)脈沖。因此根據(jù)上面的分析，要實(shí)現(xiàn)ＤＤＳＤＡＴＡ、ＤＤＳＣＳＢ、ＤＤＳＩＯＵＰＤＡＴＥ信號(hào)都是很困難的。圖３是ＣＰＬＤ頂層的電路組成。

圖3

    在ＣＰＬＤ內(nèi)部，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，重復(fù)性使用，常常將一部分功能做成模塊的形式。圖３的左上腳有一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換模塊?ｆｔｏｆｔｗ?，它的功能是根據(jù)要輸出的頻率（其典型值通過內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的對(duì)應(yīng)表的查詢來實(shí)現(xiàn)，非典型值則通過公式計(jì)算來實(shí)現(xiàn)）來輸出想要的頻率控制字和附加的頻率寄存器地址。該模塊之所以采用查表方式是出于速度的考慮。圖３左下腳的模塊可將一個(gè)寬幅的按鍵ＲＥＳＥＴ信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)時(shí)鐘周期的ＲＥＳＥＴ信號(hào)，并且將輸出作為使能信號(hào)送到右邊的兩個(gè)模塊；該模塊內(nèi)部是由一個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)計(jì)到某一值時(shí)輸出一個(gè)脈沖，而后進(jìn)入一個(gè)無輸出的開循環(huán)以滿足單獨(dú)的脈沖輸出。右上腳的模塊是一個(gè)并串轉(zhuǎn)換模塊（ｓｈｉｆｔｅｒ＿ｐｓ），它可將４０位的并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，并在串行時(shí)鐘的參考下一位一位地輸出給ＤＤＳ芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的修改。這樣，給輸入時(shí)鐘加一個(gè)反門就可得到想要的串行時(shí)鐘，而且可以很方便地使之隨著輸入時(shí)鐘的變化而變化。右下腳的模塊是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器(ｃｏｕｎｔｅｒ２)，它的輸出正是４０個(gè)時(shí)鐘周期后的ＤＤＳＩＯＵＰＤＡＴＥ信號(hào)，同時(shí)和前一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出通過或門得到ＤＤＳＣＳＢ信號(hào)。

該電路是數(shù)模混合電路，為了保證相噪和雜散性能，除了在原理設(shè)計(jì)和元器件選擇方面要注意外，在電路的具體布局和布線方面也要加以考慮，以防止額外干擾的產(chǎn)生。ＰＣＢ采用４層板設(shè)計(jì)，數(shù)字電源與模擬電源要分開，時(shí)鐘也要單獨(dú)供電；為降低電源紋波和其它干擾，還要對(duì)每一組電源分別用電容去耦。地平面上要將數(shù)字地和模擬地分開，并應(yīng)在大面積鋪地處通過一點(diǎn)連接，各相鄰地平面通過磁珠相連。時(shí)鐘盡量遠(yuǎn)離其它信號(hào)，并應(yīng)加地線屏蔽。

４　結(jié)束語

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)和全數(shù)字化、易于集成、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，是頻率合成器的理想選擇。采用ＣＰＬＤ控制能進(jìn)一步發(fā)揮ＤＤＳ的優(yōu)勢(shì)，本文針對(duì)具體的寬帶低噪聲頻率源給出了電路方案，對(duì)如何提高頻譜質(zhì)量進(jìn)行了一些探討。