一種基于DDS的寬帶頻率合成的設計

摘要：針對高性能DDS芯片AD9858設計寬帶頻率合成器，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)現過(guò)程，并對軟件控制流程進(jìn)行了詳細說(shuō)明，結合理論時(shí)系統的相位噪聲和雜散性能做了簡(jiǎn)要分析和計算，最后獲得測試結果驗證了基于AD9858寬帶頻率合成器有較好的相位噪聲和雜散，達到了預期的目標。
關(guān)鍵詞：直接數字頻率合成；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)參數頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉換時(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、除運算。該方法結構簡(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帶寬較寬，頻率轉換時(shí)間短，頻率分辨率極高，相位變化連續，輸出波形的靈活性，并且DDS中幾乎所有部件都屬于數字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當靈活，因此性?xún)r(jià)比極高。DDS也有局限性，主要表現在：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的結構有很多種，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位累加寄存器級聯(lián)構成。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據相加，把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。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)生的新相位數據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，不斷對頻率控制字進(jìn)行線(xiàn)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據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。
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2 GHz。AD9858內部集成有10位數模轉換器，其頻率分辨率(即頻率累加器位數)為32位，可輸出高達450 MHz的信號。而其內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)結合應用的場(chǎng)合；同時(shí)，它還提供有模擬混頻器，可適用DDS、PLL和混頻器相結合的應用場(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 電路設計
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驅動(dòng)電路組成。利用DDS替代小數分頻實(shí)現頻率的微步進(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，由于A(yíng)D9858的時(shí)鐘最高可達2 GHz，所以反饋信號須經(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)內置的2分頻作為DDS的采用時(shí)鐘。CPU根據YTO理論振蕩頻率計算出頻率控制字，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內部集成的鑒相器，鑒相器輸出的是電流信息，它是由內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)驅動(dòng)YTO，所以經(jīng)過(guò)二階的無(wú)源環(huán)路濾波器轉換成誤差電壓，經(jīng)YTO驅動(dòng)電路后來(lái)控制YTO調頻線(xiàn)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(kāi)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，分別對應的地址為0x00，0x01，0x02和0x03。本方案采用AD9858內置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。
頻率調節字的計算公式：
頻率控制字(FTW)=fox232／fsysclk (f0：輸出頻率fsysclk：參考時(shí)鐘)