一種基于DDS的寬帶頻率合成的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)高性能DDS芯片AD9858設(shè)計(jì)寬帶頻率合成器，分析DDS的工作原理，給出寬帶頻率合成器的原理框圖和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)軟件控制流程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，結(jié)合理論時(shí)系統(tǒng)的相位噪聲和雜散性能做了簡(jiǎn)要分析和計(jì)算，最后獲得測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了基于AD9858寬帶頻率合成器有較好的相位噪聲和雜散，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成；AD9858；YTO；鑒相

目前頻率合成主要有3種方法：直接模擬合成法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻(乘法)、分頻(除法)、混頻(加法與減法)及濾波，從單一或幾個(gè)參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快(小于100 ns)，但雜散譜太多，難以抑制。鎖相環(huán)合成法通過(guò)鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、便于集成．且頻譜純度高，目前使用比較廣泛，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于大步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。直接數(shù)字合成(DDS)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成方法。它的優(yōu)點(diǎn)主要是輸出頻率相對(duì)帶寬較寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率極高，相位變化連續(xù)，輸出波形的靈活性，并且DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。DDS也有局限性，主要表現(xiàn)在：輸出頻帶范圍有限，輸出雜散大。

1 DDS工作原理
DDS的基本原理是利用采樣定理，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖1來(lái)表示。

相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs，加法器將頻率控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。
目前DDS芯片有很多，但考慮到雜散的抑制以及頻率的精度，所以選用的是AD9858芯片。AD9858的工作頻率最高可達(dá)1 GHz，由于該芯片在時(shí)鐘輸入端提供有二分頻器，因而其外部時(shí)鐘最高可達(dá)2 GHz。AD9858內(nèi)部集成有10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其頻率分辨率(即頻率累加器位數(shù))為32位，可輸出高達(dá)450 MHz的信號(hào)。而其內(nèi)部集成的可編程快鎖充電泵(CP)和150 MHz的鑒相器(PFD)使其非常適合于高速DDS和鎖相環(huán)結(jié)合應(yīng)用的場(chǎng)合；同時(shí)，它還提供有模擬混頻器，可適用DDS、PLL和混頻器相結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)合。此外，AD9858的雜散抑制性能和諧波抑制性能也非常突出。

2 電路設(shè)計(jì)
本方案主要有振蕩器、分頻模塊、AD9858、低通濾波器、環(huán)路濾波器、YTO驅(qū)動(dòng)電路組成。利用DDS替代小數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)頻率的微步進(jìn)。
2．1 硬件原理
工作原理框圖如圖2所示。

YTO振蕩器輸出作為鎖相環(huán)路的反饋信號(hào)，由于AD9858的時(shí)鐘最高可達(dá)2 GHz，所以反饋信號(hào)須經(jīng)過(guò)四分頻器后才能作為AD9858的參考時(shí)鐘fsysclk，參考時(shí)鐘fsysclk首先經(jīng)過(guò)內(nèi)置的2分頻作為DDS的采用時(shí)鐘。CPU根據(jù)YTO理論振蕩頻率計(jì)算出頻率控制字，然后送給AD9858頻率控制字寄存器，AD9858的輸出的頻率f0經(jīng)過(guò)150 MHz低通濾波器后和頻率參考fr進(jìn)行鑒相，這里鑒相器用的是AD9858內(nèi)部集成的鑒相器，鑒相器輸出的是電流信息，它是由內(nèi)部集成的可編程快鎖充電泵(CP)來(lái)提供的，這個(gè)電流不能直接來(lái)驅(qū)動(dòng)YTO，所以經(jīng)過(guò)二階的無(wú)源環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)換成誤差電壓，經(jīng)YTO驅(qū)動(dòng)電路后來(lái)控制YTO調(diào)頻線圈，來(lái)鎖定YTO的頻率。
2．2 AD9858的控制及軟件流程
AD9858有2種工作模式：點(diǎn)頻模式和掃描模式。點(diǎn)頻模式，只要將控制寄存器(CFR)和頻率控制字(FTW)配置完畢，就可打開該功能。其中控制寄存器(CFR)是一個(gè)32位的寄存控器，有4個(gè)字節(jié)，分別對(duì)應(yīng)的地址為0x00，0x01，0x02和0x03。本方案采用AD9858內(nèi)置150 MHz鑒相器，初始化時(shí)配置鑒相器位和極性位，關(guān)閉模擬混頻器。
頻率調(diào)節(jié)字的計(jì)算公式：
頻率控制字(FTW)=fox232／fsysclk (f0：輸出頻率fsysclk：參考時(shí)鐘)