高性能雙通道DDS芯片AD9958及其應(yīng)用

摘要：AD9958是美國AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的高性能頻率合成器，它能產(chǎn)生雙通道250 MHz的模擬正弦波?，F(xiàn)介紹了AD9958的基本特點(diǎn)和引腳功能，分析了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了AD9958在PLL及數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。
關(guān)鍵詞：AD9958；串口模式；數(shù)字調(diào)制；PLL

0 引言
    AD9958是Analog Devices公司生產(chǎn)的一款高性能、動態(tài)特性優(yōu)異、可雙路輸出的DDS器件，每路可單獨(dú)控制頻率，相位／幅度。這種靈活性可用于校正信號之間由濾波、放大等模擬處理或PCB布局失配而引起的不平衡問題。由于兩個通道共享一個公共系統(tǒng)時鐘，因此它們具有固有的同步性，可支持多個設(shè)備的同步。AD9958內(nèi)部集成了10 bit的輸出幅度控制，內(nèi)部工作頻率高達(dá)500 MHz，使其可產(chǎn)生最高頻率為250MHz的雙路信號。其內(nèi)部有許多用于控制輸出信號參數(shù)的控制寄存器，具有32位頻率調(diào)整分辨率、14位相位失調(diào)分辨率、10位輸出幅度可縮放分辨率，有增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐率的串行SPI口。可工作于多種模式，支持單頻信號模式(single-tone)、調(diào)制模式(modulation mode)、線性掃頻模式(linearsweep)以及混合信號模式?？梢詧?zhí)行高達(dá)16階的頻率、相位或幅度調(diào)制(FSK、PSK、ASK)。

1 AD9958的結(jié)構(gòu)
    AD9958的串行I／O端口可支持多種配置，提供了極大的靈活性。與ADI公司以往DDS產(chǎn)品中提供的SPI工作模式類似，串行I／O端口提供SPI兼容工作模式。四個數(shù)據(jù)引腳(SDIO_0／SDIO_1／SDIO_2／SDIO_3)對應(yīng)串行I／O的四種可編程模式，從而提供了高靈活性。AD9958采用高級DDS技術(shù)，可在低功耗下提供高性能。這款器件集成了兩個具有卓越寬帶和窄帶SFDR性能的高速10bitDAC。每個通道均具有專用的32bit頻率調(diào)諧字、14bit相位偏移和10bit輸出比例乘法器。DAC輸出以電源電壓為參考源，必須經(jīng)由電阻或AVDD中心抽頭變壓器連接到AVDD。每個DAC均具有各自的可編程基準(zhǔn)源，用于實(shí)現(xiàn)每個通道不同的滿量程電流。當(dāng)使用REF_CLK作為輸入，并由DAC提供輸出時，這款DDS可用作高分辨率分頻器。兩個通道共用REF_CLK輸入源，REF_CLK輸入源可被直接驅(qū)動，或與高達(dá)最大值500MSPS的內(nèi)置REF_CLK乘法器(PLL)配合使用。   PLL倍增因數(shù)的可編程范圍為4～20，步進(jìn)為整數(shù)。REF_CLK輸入還具有振蕩電路，可將外部晶振用作REF_CLK源，晶振的頻率必須在20 MHz與30 MHz之間，晶振可與REF_CLK乘法器配合使用。
    AD9958采用節(jié)省空間的56引腳LFCSP封裝。DDS內(nèi)核(AVDD和DVDD引腳)采用1．8 V電源供電。數(shù)字I／O接口(sPI)在3．3 V電壓下工作，并需要將DVDD_I／O引腳(引腳49)連接至3．3 V電壓。AD9958可在-40℃～+85℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作。

    AD9958的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要特性如下：
    *兩個500 MSPS同步DDS通道
    *所有通道之間獨(dú)立的頻率／相位／幅度控制
    *頻率、相位和幅度變化時的延時匹配
    *卓越的通道間隔離
    *線性頻率／相位／幅度掃描功能
    *高達(dá)16階頻率／相位／幅度調(diào)制(引腳選擇)
    *內(nèi)置兩個10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)
    其主要應(yīng)用在以下幾方面：
    *捷變本振(ALO)頻率合成
    *相控陣?yán)走_(dá)／聲納
    *儀器儀表
    *同步時鐘
    *用于AOTF(聲光可調(diào)濾波器)的RF源
    *單邊帶抑制載波
    *正交通信

2 引腳說明
    AD9958采用56腳LFCSP封裝，其引腳圖如圖2所示，其主要引腳功能如下：

    SYNC_IN：同步多片AD9958的輸入信號，使用時與主器件AD9958的SYNC_OUT相連；
    SYNC_OUT：同步多片AD9958的輸出信號，使用時與從器件AD9958的SYNC_IN相連；
    MASTER_RESET：復(fù)位引腳，高電平有效；
    PWR_DWN_CTL：電源掉電控制引腳；
    CH0_IOUT、CH1_IOUT：通道0、1輸出端，無需上拉電阻，輸出范圍可達(dá)AVDD；
    CH0_IOUT、CH1_IOUT：通道0、1互補(bǔ)輸出端，無需上拉電阻，輸出范圍可達(dá)AVDD；
    DAC_RSET：DAC復(fù)位端，為DAC創(chuàng)建參考電流，通過一個1．91 kΩ的電阻接至AGND端；
    REF_CLK、REF_CLK：參考時鐘或晶振輸入端；
    CLK_MODE_SEL：振蕩器模式控制引腳，為1時使能振蕩器為REF_CLK源，為0時不使能；
    LOOP_FILTER：與鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的零點(diǎn)補(bǔ)償電路連接，此引腳與AVDD間串接一個0 Ω電阻和680pF電容。
    P0，P1，P2，P3：調(diào)制數(shù)據(jù)引腳；
    I／O_UPDATE：I／O口更新寄存器控制端，此引腳上升沿數(shù)據(jù)從串口緩沖器送入寄存器。
    ：片選端，低電平有效，允許多芯片共用SPI總線；
    SCLK：I／O口讀寫時的串行數(shù)據(jù)時鐘輸入端，上升沿寫操作，下降沿讀操作；
    SDIO_0：專用串行I／O口引腳；
    SDIO_1，SDIO_2，SDIO_3：用作串行I／O口引腳或初始化DAC輸出幅度增減量控制引腳；
    SYNC_CLK：同步時鐘輸出引腳，為系統(tǒng)時鐘的4分頻。

3 AD9958串口特點(diǎn)及工作模式
    AD9958的串口提高了多種配置，其SPI模式與早期的DDS產(chǎn)品的操作模式兼容。4個串行數(shù)據(jù)引腳(SDIO_0，SDIO_1，SDIO_2，SDIO_3)具有很高的靈活性，可提供4種可編程的串口操作模式，1位串行2線模式、1位串行3線模式、2位串行模式、4位串行模式。表1為4種模式的引腳配置表。

    4個串行數(shù)據(jù)引腳中SDIO_1，SDIO_2，SDIO_3還可提供10位的輸出振幅增減量。另外，SDIO_3還可用來提供SYNC_I／O功能，用以再同步串口控制器輸出適當(dāng)時序。AD9958的SCLK的最高頻率是200 MHz，而4個串口數(shù)據(jù)引腳能進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)吞吐量，可達(dá)到800 Mbps。AD9958的串口操作是建立在寄存器級別上的，也就是說串口控制器能識別被訪問的寄存器字節(jié)地址。在串行操作包括指令周期和通信周期，一般先傳送指令周期，指令周期對應(yīng)于SCLK的前8個上升沿，其對應(yīng)的指令字(8比特)包含了以下信息：

    D7位為R／W位，用于確定指令字后的操作是讀還是寫，高電平為讀，低電平為寫；D6、D5位為無關(guān)位；D4～D0位對應(yīng)于A4～A0，表示隨后的通信周期被訪問的寄存器地址。
    圖3為1位串行2線模式和2位串行模式的寫時序圖。

4 AD9958在PLL及調(diào)制系統(tǒng)中的應(yīng)用
    AD9958具有良好的頻率分辨率和快速、連續(xù)的變頻能力，AD9958的單頻信號模式(single-tone)可應(yīng)用在PLL系統(tǒng)中，如圖4所示，AD95 10作為相位比較器，與環(huán)路濾波器及壓控振蕩器以及AD9958和低通濾波器共同構(gòu)成一種PLL系統(tǒng)，在PLL系統(tǒng)中AD9958使輸出具有精確的頻率。

    調(diào)制信號有較強(qiáng)的抗干擾作用，同時對相鄰信道的信號干擾也較小。并具有解調(diào)方便且易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此數(shù)字調(diào)制信號系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信設(shè)備中。在數(shù)字調(diào)制中，由于受頻率精確度、穩(wěn)定度和范圍等因素的制約，提高調(diào)制方式中的FM速度是難點(diǎn)，用高性能DDS芯片AD9958可以很好的解決這個問題。AD9958具有良好的頻率分辨率和快速、連續(xù)的變頻能力，其工作在調(diào)制模式(modulation mode)下，能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字調(diào)頻，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)圖如圖5所示。系統(tǒng)中MCU可使用DSP或高速單片機(jī)如ADuC841等，MCU作為控制電路，向AD9958發(fā)送命令字，AD99 58產(chǎn)生所需頻率的正弦或調(diào)制信號，經(jīng)低通濾波器后輸出。

5 結(jié)束語
    高性能可雙路輸出的DDS器件AD9958動態(tài)特性優(yōu)異，每路可單獨(dú)控制頻率，相位／幅度，其串口通信有多種模式，內(nèi)部工作頻率高達(dá)500 MHz，可工作于多種模式，支持單頻信號模式(single-tone)、調(diào)制模式(moolulation mode)、線性掃頻模式(linearsweep)以及混合信號模式，具有很高的精確性和靈活性，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)及混合信號系統(tǒng)的設(shè)計之中。