基于DDS+PLL技術(shù)的頻率合成器的設(shè)計

摘要：介紹了一種頻率合成技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)，基于DDS與PLL的技術(shù)產(chǎn)生高頻信號頻率。該頻率合成器由高性能DDS芯片AD9852與鎖相環(huán)芯片ADF4360-7構(gòu)成。該方案控制簡單、編程靈活、可靠性高，且產(chǎn)生的信號具有輸出頻率高、分辨率高、頻譜純等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：DDS；鎖相環(huán)；FPGA

0 引言
    頻率合成技術(shù)是近代電子系統(tǒng)和裝備的重要組成部分，在無線電技術(shù)和電子系統(tǒng)的各個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。頻率合成即把若干個穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過“加、減、乘、除”四則運算，產(chǎn)生一系列新的具有同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的頻率的過程。目前的頻率合成的基本方法包括：直接頻率合成(DS)、間接頻率合成(IS)以及直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)。直接數(shù)字頻率合成是將數(shù)字處理的技術(shù)與方法引入信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù)，它從相位的概念出發(fā)進行頻率合成，通過DSP或FPCA對DDS輸出波形的頻率、幅度、相位實行精確的控制。本文采用DDS與PLL相結(jié)合的方式，并在FPGA的控制下，產(chǎn)生高頻率、高分辨率以及短頻率轉(zhuǎn)換時間的信號波形。

1 方案擬定
1．1 DDS基本原理
    典型的DDS由四部分構(gòu)成，分別為：N位相位累加器、波形存儲器、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。其原理為：由一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器提供參考時鐘頻率，用于DDS中各部分同步工作。將頻率控制字K送入相位累加器的輸入端，相位累加器在參考時鐘的作用下，按照頻率控制字K對頻率進行線性相位取樣；對波形存儲器尋址，使相位碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的波形幅度碼；再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到模擬的階梯波；最后經(jīng)低通濾波器得到所需頻率的波形。
    設(shè)fc為參考時鐘頻率，頻率控制字為K，N是相位累加器的字長，則
   
   
1．2 DDS+PLL技術(shù)的優(yōu)勢
    DDS具有極高的頻率分辨率、近似實時的頻率轉(zhuǎn)換時間、任意波形的輸出和便于程控等特點，但其合成頻率較低，則限制了它的應(yīng)用范圍。而PLL具有的頻帶寬、工作頻率高、頻譜純等優(yōu)點正好可以彌補DDS的不足之處。兩者的結(jié)合，不僅簡化了電路、減少了硬件的使用量，同時還降低了功耗。
    DDS的輸出信號作為PLL的參考頻率源，使得輸出具有較高的頻率分辨率，同時PLL作為一個可編程的倍頻器，可將DDS產(chǎn)生的頻率倍頻到所需要的頻率范圍。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定的時候，頻率合成器的輸出頻率為：
   
    其中fc為DDS的時鐘頻率，K為DDS的頻率控制字，N為DDS的相位累加器字長。
    通過(5)式可知，基于DDS與PLL技術(shù)的頻率合成器中，DDS可以輸出一個低頻信號，通過PLL的倍頻合成后達到高頻信號的輸出范圍，與此同時系統(tǒng)輸出的信號也能有較高的頻率分辨率。

2 頻率合成器實現(xiàn)
2．1 方案設(shè)計
    本設(shè)計采用DDS激勵PLL的方式實現(xiàn)頻率從低頻倍頻至高頻。其中，DDS芯片選取AD公司生產(chǎn)的AD9852，PLL芯片選取AD公司生產(chǎn)的ADF43 60-7芯片。外部通過FPGA對DDS實現(xiàn)控制工作，其無限次反復(fù)編程的功能保證了DDS波形產(chǎn)生的持續(xù)時間大于鎖相環(huán)的捕捉時間，從而產(chǎn)生
所需的輸出頻率。
    AD9852的DDS系統(tǒng)有雙48 bit可編程頻率寄存器，在數(shù)據(jù)進入正弦查表之前截斷，只對高17位進行正弦查表，最后再由內(nèi)部集成的12 bit DAC產(chǎn)生模擬信號輸出。它的內(nèi)核部分最高可以工作在300 MHz，時鐘信號可直接或者間接通過可編程時鐘乘法器(4×—20×)輸入內(nèi)核，通過間接的方式降低外部時鐘的頻率，而內(nèi)核的時鐘頻率保持不變。本設(shè)計基于間接時鐘輸入的方式，以30 MHz外部有源晶體振蕩器提供穩(wěn)定的時鐘頻率輸入，通過內(nèi)部可編程時鐘乘法器進行4倍頻，保證了工作頻率為120 MHz。
    鎖相環(huán)輸出部分采用的是ADF4360-7芯片，其輸出頻率從350 MH～1 800 MHz，且內(nèi)部集成VCO，可由外部電感值的改變選擇不同的工作頻段。主要由低噪聲數(shù)字鑒相器、可編程分頻器R(14 bit)、可編程A(5 bit)、B(13 bit)寄存器和一個雙模分頻器(P／P+1分別為8／9，16／17)構(gòu)成。其合成的分頻比滿足：N=B×P+A，其中，B≥A且N≥(P2-P)。[!--empirenews.page--]
2．2 方案實施
    本設(shè)計中AD9852采用串行數(shù)據(jù)輸入模式，在該模式下需要對芯片CS、IO RESET、SDO、SDIO、OSK、I／O UD CLK以及SCLK進行控制信號輸入設(shè)置。AD9852工作電壓為3．3 V，通過將5 V穩(wěn)壓源的輸入電壓轉(zhuǎn)為3．3 V控制電壓，以保證芯片的正常工作，從而防止過高的控制信號輸入燒壞DDS芯片。
    按照串行控制方式將FPGA與DDS外圍電路布置完整，然后通過FPGA進行DDS芯片的初始化。初始化過程中的關(guān)鍵在于，一是對地址與數(shù)據(jù)的寄存器進行設(shè)置，寫入各寄存器工作方式所需的控制碼；二是初始化串行模式；三是通過串行模式，將FPGA產(chǎn)生的控制碼寫入到DDS相應(yīng)的控制寄存器中。
    在寫地址與數(shù)據(jù)的寄存器中，主要需要寫入的寄存器為frequency tuning word、Delta frequency reaster、update clockrate regis-ter、Ramp rate clock reaster、control register這五個寄存器。其中頻率控制字K可按照公式(6)進行計算。
   
    設(shè)計中所需產(chǎn)生輸出頻率為10 MHz，其中N=48，fc=180 MHz，通過公式計算出K=15637498706140轉(zhuǎn)換為十六進制為E38E38E38DC，所以對AD9852的頻率控制字寄存器的賦值可表示為data_o<=48’hOE38E38E38DC。
    在DDS芯片寫數(shù)據(jù)的過程中，首先，向dds_mareset輸入正脈沖信號將DDS復(fù)位，然后地址位和數(shù)據(jù)位分別寫入DDS相對應(yīng)的管腳。在dds_ cs下降沿的觸發(fā)下，dds_sdio寫入可持續(xù)八個dds_sclk周期s_wr_inst，該instruction byte決定了接下來的對傳輸數(shù)據(jù)讀操作或者寫操作。經(jīng)過多次寫脈沖操作之后，控制寄存器與頻率控制字均寫入DDS芯片中，在dds_ioreset的上升沿作用下輸出所需頻率。如圖1、圖2所示。

    ADF4360-7采用3線串行接口，其數(shù)字部分包括24位移位寄存器、14位R計數(shù)器以及由5位A計數(shù)器和13位B計數(shù)器構(gòu)成的18位N計數(shù)器。數(shù)據(jù)在每個時鐘上升沿的作用下移入24位移位寄存器中，并在LE上升沿的觸發(fā)下，從移位寄存器傳輸至鎖存器中。該鎖存器狀態(tài)由C2和C1兩個控制位決定，如表1所示。

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    本設(shè)計中，AD9852采用SINGLE TONE模式，為ADF4360-7提供穩(wěn)定的10 MHz頻率作為其參考信號源。ADF4360-7采用的分頻比尺為10，VCO輸出頻率可通過公式(7)計算得出：
   
    其中，P為前置預(yù)置分頻比，本設(shè)計中取P值為8。
2．3 測試結(jié)果
    根據(jù)上文中對各參考部分的設(shè)計，通過使用示波器對各頻率點分別進行測試。其中，經(jīng)R分頻后得到1 MHz的鑒相頻率，N計數(shù)器可用公式N=B×P+A進行計算，即設(shè)計寄存器A、B的參數(shù)，就可改變N的取值。
    在測試的過程中，首先測試AD9852當(dāng)前所產(chǎn)生的頻率，該頻率作為鎖相環(huán)的信號源，提供的是穩(wěn)定的10 MHz信號，測試結(jié)果如圖3所示。理論輸出值為10 MHz，實際的輸出值為10．46 MHz，考慮到測量誤差等因素，該輸出頻率符合設(shè)計的要求。

    DDS的輸出頻率經(jīng)鎖相環(huán)倍頻后，從低頻信號倍頻至高頻信號，通過對750 MHz、800 MHz、850 MHz、960 MHz幾個頻率點分別進行測試。測試結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。測試結(jié)果均是以850 MHz做為中心頻率，每格為100 MHz作為標(biāo)準(zhǔn)，其測試結(jié)果分別為752．83MHz，798．85 MHz，851．84 MHz，960．25 MHz，均在允許的誤差范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語
    本文提出以DDS產(chǎn)生的低頻點信號做為鎖相環(huán)的參考頻率源，從而通過倍頻產(chǎn)生高頻頻率的輸出的方案。在設(shè)計中，ADF4360-7芯片內(nèi)部集成了VCO，節(jié)約了設(shè)計成本，且為超寬帶雷達信號的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。本設(shè)計方案基本得到了較好的測試結(jié)果，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良。