基于AD9952的直接频率合成设计

摘要:文章所介绍的设计方案采用美国Analog Devices公司的新型芯片AD9952,输出10～160MHz快速变频时钟信号,介绍了直接频率合成(DDS-Direct Digital Synthesizer)原理,这种方法易于控制、简单方便、工作频率范围很宽、具有极高的频率分辨率和转换速度,非常适合快速变频设计的要求。

关键词:直接频率合成;AD9952;SPI串口控制;椭圆滤波器

中图分类号:TN741文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0018-02

目前频率合成的方式通常有以下三种方式:直接模拟式频率合成,间接式频率合成(锁相环频率合成),直接数字频率合成(DDS)。直接模拟式频率合成利用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源,经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号,该方法缺点是功耗大,体积大。间接式频率合成基于锁相环的同步原理,由锁相环的压控振荡器间接产生所需的频率输出,该方法由于捕获时间偏长,不适合于快速变频的小步进频率转换。直接数字频率合成是一种基于全数字技术,从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术,具有工作频率范围很宽、极高的频率分辨力、极短的频率转换时间、任意波形输出能力、数字调制性能好等优点,在现代扩频通信特别是快速跳变频通信中得到广泛运用。

一、直接频率合成(DDS)原理

直接频率合成是采用全数字化技术, 从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接频率合成器由相位累加器、波形存储器ROM、D/A转换器、低通滤波器(LPF)组成。DDS的原理框图如图1所示:

其中K为频率控制字,N为相位累加长度,D为ROM存储及D/A转换位宽。相位累加器在参考时钟fc的控制下以步长为K作累加,输出N位的二进制码作为波形存储器ROM的地址,对波形ROM寻址输出对应的幅度码S(n),然后再经D/A转换器输出阶梯波S(t),最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理,即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波。

DDS的方程为f0=:,f0:为输出频率,fc:为参考时钟频率。

当K=1时,DDS输出最低频率(也为频率分辨率)DDS输出的最高频率由受奈奎斯特抽样定理限制即为,此时K=2N-1。所以只要N足够大,要得到很细小的频率变化只需改变频率控制字K即可。DDS在改变频率时只需改变频率控制字(即累加器累加步长),而不需改变原有的累加值,故改变频率时相位是连续的。DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。

二、基于AD9952的频率合成设计

国外生产DDS芯片的公司较多,目前国内主要使用美国Qualcom公司和Analog Devices公司的产品。本设计中采用AD公司的AD9952芯片,该芯片主要功能有:集成了14位的DAC、32位的频率控制字,相位噪声≤-120dBc/Hz @1KHz补偿(DAC输出),优良的动态性能:>80dB SFDR@160 MHz(±100KHz补偿)AOUT,串行输入/输出控制(SPA)。

(一)DDS的参考时钟设计

AD9952内含振荡电路,外加晶体就可产生系统时钟,也可以不用内部振荡电路而直接引入外部时钟信号。外部时钟信号可以是单端信号或差分信号,并且可以通过配置相应的控制寄存器和控制信号,得到不同的时钟模式。本电路中采用锁相环频率合成方案:使用美国AD公司的AD4110芯片及压控震荡器产生400MHz的稳定的高频谱纯度的参考时钟,限于篇幅具体细节这里就不细述了。

(二)AD9952与DSP的接口设计

AD9952与Analog Devices公司以前系列的产品不同, 只采用同步串行通信口进行控制,简化了控制逻辑。该串口兼容多种同步传输格式,如:MOTOROLA 6905P11 SPI和INTEL8051 SSR 协议等。在本方案中就使用了SPI协议。SPI是Motorola公司推出的一种同步串行接口,支持高的数据传输速率,是目前使用比较多的串行总线接口。接口通过对所有寄存器进行读和写操作来配置AD9952。

TMS320C64X系列DSP提供一种多用缓冲串行口(McBSP),通过相关的控制和配置寄存器,可支持多种串行通信方式和协议。SPI为常用的4线串行接口,包括MISO(主设备输入、从设备输出),MOSI(主设备输出、从设备输入),CLK(移位时钟)和SS(从设备使能),分主、从两种工作模式。McBSP的数据同步时钟具有停止控制选项,因此可以与SP I协议兼容。McBSP支持2种SPI传输格式,可在SPCR寄存器的CLKSTP位中设置,以此控制SP I_CLK的时钟是半波高电平或半波是低电平开始。DSP的多用缓冲串口(McBSP)配置为SPI,作为主设备控制AD9952,具体联线如图2所示。用到的TMS320C6416的SPI_1口(DSP_SPI_CLKX1、DSP_SPI_DX1、DSP_SPI_FSX1),及一个通用的GPIO口作为控制AD9952的I/O UPDATE。

而在CCS软件中带有初始化配置McBSP的函数,现配置初始化配置为SPI口代码如下:

//----enable MCBSP----------------------//

MCBSP_enableSrgr(hMcbsp1);// enable McBSP sample generator

for(n=0;n

MCBSP_enableRcv(hMcbsp1);//enable the receiver for the given port.;

MCBSP_enableXmt(hMcbsp1);// enable the transmitter for the given port.

MCBSP_enableFsync(hMcbsp1);//enable the frame sync generator for the given port.

(三)椭圆滤波器的设计

DDS采用数字化技术,最终合成信号是经D/A转换后得到的。其频谱含有很丰富的高次谐波分量,在特定带宽内必须将它们滤除,才能得到频谱纯净的正弦波输出。这里采用官方文档椭圆函数低通滤波器。椭圆滤波器是在通带和阻带等波纹的一种滤波器,相比其他类型的滤波器,在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。具体的原理图设计如图3所示,仿真工作借助于Agilent公司的ADS软件设计出符合要求的滤波器。

三、结语

直接频率合成技术是一种新型的频率合成技术,是频率合成技术上的一次革命。随着电子工程领域的实际需求和数字集成电路的发展,DDS日益体现出它的优越性。本文探讨了DDS的原理,并应用于一个具体实例基于AD9952的直接频率合成设计,并从中体会到DDS设计的方便性、快捷性、稳定性,DDS技术在未来的频率合成技术上将起到越来越重要的作用。

参考文献

[1]A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis [M].Analog Device Inc,1999.

[2]AD9952 Preliminary Technical Data[M].Analog Device Inc.,2003.

[3]张玉兴.DDS高稳高纯频谱频率源技术[J].系统工程与电子技术,1997,(12).

[4]李方慧,王飞,何佩琨,等.TMS320C6000系列DSPs原理与应用[M].电子工业出版社,2003.

作者简介:松文(1982-),男,电子科技大学空天科学技术研究院硕士研究生,研究方向:数字信号处理。