用AD9850激励的锁相环频率合成器
出处:kingpoo 发布于:2007-05-25 13:24:30
摘 要: 提出了一种DDS和PLL相结合的频率合成方案,介绍了DDS芯片AD9850的基本工作原理、性能特点及引脚功能,给出了以AD9850作为参考信号源的锁相环频率合成器实例,并对该频率合成器的硬件电路和软件编程进行了简要说明。
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以DDS(直接数字合成)激励的PLL(锁相环)频率合成器,是用DDS作为参考信号源,将DDS和PLL组合在一起的一种独特的频率合成器方案。它综合了DDS和PLL频率合成器的优点,具有极高的频率分辨率、极短的换频时间和较好的噪声性能,而且频率范围宽、控制灵活,是应用于雷达、通信等领域中的一种较为先进的频率合成方案。其电路原理框图如图1所示。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
我们在实际工作中,以美国AD公司生产的DDS芯片AD9850和MITEL公司的PLL芯片SP8858为,完成了一款高性能的DDS+PLL的频率合成器的设计与试验,并将其应用于一无线测量接收机中,收到了极好的效果。下面介绍AD9850的基本工作原理和引脚功能等,并给出频率合成器实例的方案组成。
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1 AD9850的工作原理与引脚功能 1.1 基本工作原理 AD9850采用先进的DDS技术,在内部集成了32位相位累加器、14 位正/余弦查询表和高性能的10位D/A转换器以及一个高速比较器,其原理框图见图2。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
它通过并口或串口写入的频率控制字来设定相位累加器的步长大小,相位累加器输出的数字相位通过查找正/余弦查询表得到所需频率信号的采样值,然后通过D/A变换,输出所需频率的正弦波信号。还可以通过高速比较器将该正弦波信号转换成方波,作为时钟信号输出。 输出信号的频率FDDS由下式确定: FDDS=△f·FCLK/232(1) 式中,△f为32位频率控制字的值,FCLK为工作时钟。 1.2 控制方式 AD9850内部的5个8位寄存器构成一个40位的数据寄存器,储存来自外部数据总线的数据和控制字,其中32位为频率控制字、5位为相位调制字、1位是电源休眠(power down)功能控制,另2位储存工厂保留码(用户编程时,应将其设定为"00")。寄存器可通过并行或串行方式装载。 并行方式是在使能信号FQ_UD和写脉冲WCLK的控制下,通过8位数据总线D0~D7分五次来完成全部40位数据的输入,其工作时序图见图3。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
在FQ_UD的上升沿,40位数据从输入寄存器打入数据寄存器,同时将地址指针复位到个输入寄存器。随后,在WCLK的上升沿写入组8位数,并把指针指向下一个输入寄存器。连续五次装载以后,WCLK的上升沿无效,直到复位信号Reset有效或者FQ_UD的上升沿再次来到。 串行输入方式如图4所示,在WCLK的上升沿,40位数据由低位到高位依次从引脚25(D7)移入到输入寄存器,并在FQ_UD的脉冲作用下,性打入到数据寄存器,以更新芯片的输出频率(或相位)。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.3 主要性能 (1)单电源工作:+3.3V或+5V。 (2)接口简单,可用8位并行口或串行口直接装载频率和相位调制数据。 (3)片内有高性能D/A转换器和高速比较器,可输出正弦波和方波。 (4)工作时钟125MHz,32位频率控制字保证在125MHz的工作时钟下频率分辨率达0.0291Hz。 (5)5位调相控制字,可实现相位调制功能。 (6)频率转换速率极快,可达2.3×107次/秒。 (7)低功耗:在125MHz时钟频率、+5V电源工作时,功耗为380mW;110MHz时钟、+3.3v工作时,功耗为155mW。 (8)工作温度范围宽:-40℃~+85℃。 1.4 引脚功能 AD9850为28脚紧缩型小外形封装(SSOP),其管脚排列见图5,引脚功能如表1所示。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 用AD9850作参考信号源的PLL频率合成器实例 2.1 硬件设计 本频合器是一个频率范围为1.6GHz~2.9GHz的频率合成器,其硬件组成框图如图6所示。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
AD9850工作在100MHz参考时钟下,产生16MHz左右的正弦波信号,其D/A转换器的输出经过一个中心频率为16MHz、带宽为4MHz的带通滤波器之后,给PLL芯片SP8858提供鉴相标频。SP8858是一种高性能的脉冲吞除式数字锁相环频率合成器芯片,其工作频率高达1.5GHz,片内PD采用线性的数字鉴频-鉴相器,鉴相频率可达5MHz;内部还包括÷16/17(或÷8/9)的双模前置分频器,两个15位的程序分频器,一个4位的吞脉冲计数器和一个13位的参考分频器。两个程序分频器数据缓冲器可轮流工作,有助于减少频合器的换频时间。外部的微处理器可通过对片内的三总线串行数据接口进行操作,来控制各分频器的状态和数据刷新。 AD9850和SP8858的置数由数字信号处理芯片TMS320C32的串口控制。在我们设计的无线测量接收机中,整个系统的控制和数字信号的处理由TMS320C32完成。为了简化系统,将TMS320C32的串口用于频率合成器的置数和频率刷新。 环路滤波器是由低噪声运放LT1028构成的有源二阶低通滤波器,VCO由HE404B和HE486B两只低噪声压控振荡器分段组成,以覆盖1.6GHz~2.9GHz的频率范围。VCO的输出信号分成两路,一路经放大和4分频后送入SP8858进行程序分频、鉴相;另一路经由RFIC芯片ERA-5放大后作为本振信号输出。 2.2 软件编程 软件编程比较简单,主要是根据AD9850和SP8858的控制字方式,由TMS320C32通过串口分别将相应的控制字装载到两只芯片中去,以产生需要信号的频率。 在本例中,SP8858主要控制信号频率的粗调,其步进量△f为4MHz;AD9850实现信号频率的细调,控制其输出频率在16MHz附近变化,步进量接近1Hz。 SP8858的编程规则可参考文献2。从系统的总体设计考虑,为了与SP8858的串行送数方式一致,AD9850的数据输入方式也采用串行方式(此时,芯片的2脚应接地,3脚和4脚接VDD,数据从25脚输入),串行装载时40位数据的功能见表2,编程时应将"W32 W33 W34"置为"000"。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表2 串行装载时40位数据的功能 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2.3 测试结果
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参考文献 [1]. AD9850 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9850_251820.html. [2]. SP8858 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SP8858_1085553.html. [3]. TMS320C32 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320C32_1703301.html. [4]. LT1028 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LT1028_1055867.html. [5]. ERA-5 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ERA-5_301698.html. [6]. Power datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Power_1093617.html. [7]. b30 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/b30_1826805.html. [8]. b31 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/b31_2060429.html. [9]. CMOS 125MHz Complete DDS Synthesizer Data sheet. REV E-5/99 [10].SP8858 1.5GHz Professional Synthesizer Data sheet. MITEL 1998 |
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