高性能DDS芯片AD9959及其應用

　　0 引言

　　AD9959是美國ADI公司最新推出的一款四通道高速直接數字頻率合成器。該芯片內部集成了四個(gè)DDS核，因此可對四個(gè)內部同步輸出通道獨立進(jìn)行編程。通過(guò)一個(gè)公用系統時(shí)鐘在芯片內部同步其獨立的通道，AD9959可以對由于模擬處理(例如濾波、放大)或者PCB布線(xiàn)失配而產(chǎn)生的外部信號通道的不均衡進(jìn)行有效的校正，從而使系統工程師用相當少的時(shí)間和精力去處理這個(gè)通常很復雜的系統設計問(wèn)題。

　　1 AD9959的主要特點(diǎn)

　　AD9959可以實(shí)現最多16電平的頻率、相位和幅度調制，還可以工作在線(xiàn)性調頻、調相或調幅模式。AD9959的應用范圍包括相控陣列雷達／盧納系統、儀表、同步時(shí)鐘和RF信號源。AD9959的內部結構如圖1所示，主要特性如下：

◇有4路帶10位DAC的DDS通道，最高取樣頻率為500 MSPS；

◇大于65 dB的通道隔離度；

◇32位頻率分辨率；

◇14位相位失調分辨率；

◇10位輸出幅度可縮放的分辨率；

◇具有增強數據吞吐量的串行I／O口(SPI)；

◇可軟件／硬件控制以降低功耗；

◇雙電源(DDS核1.8 V，串行I／O3.3 V)；

◇內置多器件同步功能；

◇內置時(shí)鐘倍頻鎖相環(huán)(4～20倍倍頻)。

　　2 AD9959的引腳功能

　　AD9959采用56腳LFCSP封裝，各引腳的功能定義如下：

SYNC_IN：輸入引腳，可同步多片AD9959。使用時(shí)應與主AD9959的SYNC_OUT相連；

SYNC_OUT：輸出引腳，可同步多片AD9959，使用時(shí)應與從AD9959的SYNC_IN相連；

MASTER_RESET：復位輸入引腳，高有效；

PWR_DWN_CTL：外部電源掉電控制引腳；

AGND：模擬地；

DVDD：數字電源(1.8 V)；

DGND：數字地；

DAC_RSET：輸入引腳，可為DAC設置參考電流，使用時(shí)應通過(guò)一個(gè)1.91 kΩ電阻接地；

REF_CLK和REF_CLK：參考時(shí)鐘或振蕩輸入端(互補輸入)，如果使用單端輸入方式，則應從REF_CLK引腳連接一個(gè)0.1μF的解耦電容到AVDD或AGND；

CLK_MODE_SEL：振蕩器部分控制引腳，接高電平時(shí)，電壓不要超過(guò)1.8 V，接低電平時(shí)，振蕩器被旁路；

LOOP_FILTER：輸入端，使用時(shí)應串聯(lián)一個(gè)零電阻和680 pF電容至最近的AVDD腳(Pin28)；

I／O_UPDATE：輸入引腳，通過(guò)該腳的上升沿可把串行口緩存的數據內容送至激活的寄存器中，I／O_UPDATE信號應與SYNC_CLK信號保持同步，并須滿(mǎn)足建立時(shí)間與保持時(shí)間的要求；

CS：片選串口使能信號端，低有效；

DVDD_I／O：3.3 V數字電源；

SYNC_CLK：時(shí)鐘輸出，為內部時(shí)鐘的1／4，用于同步I／O_UPDATE信號；

SCLK：I／O串行操作時(shí)鐘輸入端，在該端的上升沿寫(xiě)入數據，下降沿讀出數據；

SDIO_0：雙向引腳，用于串行操作的數據輸入和輸出；

SDIO_1：3：雙向引腳，用于串行操作數據輸入輸出，也可用于控制DAC輸出幅度的斜率；

P0～P3：輸入引腳，這四個(gè)引腳用于控制調制方式的選擇，掃描累加器的開(kāi)關(guān)或者輸出幅度的升降斜率。該四個(gè)引腳中的任何一個(gè)引腳信號的變化都等同于一個(gè)I／O_UPDATE信號的上升沿，該端須與SYNC_CLK信號保持同步，并須滿(mǎn)足建立時(shí)間與保持時(shí)間的要求；

CH0_IOUT ～CH3_IOUT， CH0_IOUT ～CH3_IOUT：輸出引腳，四個(gè)通道的互補輸出端，使用時(shí)，需接上拉電阻至AVDD。

　　3 工作模式組合

　　AD9959所具有的的四通道可以使其同時(shí)實(shí)現多種工作模式的組合。但是，在某些模式下，則需要幾個(gè)數據引腳來(lái)實(shí)現特殊功能，這就限制了組合方式。根據AD9959芯片的資源，可同時(shí)實(shí)現的工作模式組合如下：

(1) 四個(gè)通道可以實(shí)現單頻模式、2電平調制模式和線(xiàn)性?huà)呙枘Ｊ降娜我饨M合，每個(gè)通道均可工作在這三種模式中的一種；

(2) 可以同時(shí)有一個(gè)或兩個(gè)通道工作在4電平調制模式，余下的通道工作在單頻模式；

(3) 可以有一個(gè)通道工作在8電平調制模式，余下的通道工作在單頻模式；

(4) 可以有一個(gè)通道工作在16電平調制模式，余下的通道工作在單頻模式；

(5) 單頻模式下，可以控制每個(gè)通道的輸出幅度斜率；

(6) P2和P3引腳用于控制輸出幅度斜率時(shí)，任意兩個(gè)通道可同時(shí)工作在2電平調制模式，也可同時(shí)工作在線(xiàn)性調頻或調相模式；

(7) P3引腳用于控制輸出幅度斜率時(shí)，可以有一個(gè)通道工作在8電平調制模式，余下的通道工作在單頻模式；

(8) SDIO_1～SDIO_3引腳用于控制輸出幅度斜率時(shí)，四個(gè)通道可以實(shí)現各種2電平調制模式的組合，而未用于2電平調制模式的通道則可工作在單頻模式；

(9) SDIO_1～SDIO_3引腳用于控制輸出幅度斜率時(shí)，可以同時(shí)有一個(gè)或兩個(gè)通道工作在4電平調制模式，其余通道工作在單頻模式；

(10) SDIO_1～SDIO_3引腳用于控制輸出幅度斜率時(shí)，可以有一個(gè)通道工作在16電平調制模式，其余通道工作在單頻模式；

(11) 幅度調制、線(xiàn)性幅度掃描和控制輸出幅度斜率功能不能同時(shí)實(shí)現，但頻率和相位調制則可與控制輸出幅度斜率功能同時(shí)實(shí)現。

　　4 串行操作

　　AD9959的四個(gè)通道可共享一組寄存器地址，這種地址共享機制其得可以同時(shí)向四個(gè)通道的配置寄存器寫(xiě)入相同的數據。當需要對四個(gè)通道進(jìn)行不同設置時(shí)，可以通過(guò)設置通道使能位來(lái)各自獨立地寫(xiě)入每個(gè)通道設置的數據。

　　一個(gè)串口通信周期分為指令周期和數據讀寫(xiě)周期兩個(gè)階段。首先傳送指令階段的8位指令字，對應于SCLK的8個(gè)上升沿，然后執行由指令設定的1～4個(gè)字節的數據讀寫(xiě)，完成后再等待下一個(gè)指令周期的到來(lái)。

　　AD9959的串口操作與ADI公司之前推出的DDS芯片基本一致，但由于A(yíng)D9959有四個(gè)串行數據引腳(SDIO_0：3)，因而其編程具有更大的靈活性，通過(guò)配置相應的寄存器可以有四種編程方式進(jìn)行串行I／O操作。分別是單bit兩線(xiàn)模式，單bit三線(xiàn)模式。雙bit模式和四bit模式。

　　設置為單bit兩線(xiàn)模式時(shí)，SDIO_0為雙向數據引腳。設置為單bit三線(xiàn)模式時(shí)，SDIO_0為數據輸入引腳，SDIO_2為數據輸出引腳。在這兩種模式下，SDIO_3都作為串口同步恢復信號引腳，通過(guò)一個(gè)正脈沖使串口恢復為初始等待指令狀態(tài)。圖2給出了單bit兩線(xiàn)模式的串口寫(xiě)時(shí)序。

　　設置為雙bit模式時(shí)，SDIO_0和SDIO_1同時(shí)作為雙向數據引腳，每個(gè)SCLK周期傳輸兩位數據，這樣，傳送一個(gè)八位的數據信息只需要四個(gè)SCLK周期，SDIO_3仍作為串口同步恢復信號。圖3給出了雙bit模式的串口寫(xiě)時(shí)序。

　　設置為四bit模式時(shí)，SDIO_0：3可同時(shí)作為雙向數據引腳，每個(gè)SCLK周期傳輸四位數據，故傳送一個(gè)八位數據信息僅需要兩個(gè)SCLK周期。

　　5 在雷達中頻信號模擬器中的應用

　　現代雷達信號模擬器的設計偏重于運用數字化方式來(lái)實(shí)現。事實(shí)上，隨著(zhù)實(shí)時(shí)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，PC+DSP+DDS的體系結構已成為雷達信號模擬器實(shí)現的主要方式。而AD9959由于在一塊芯片上集成了四個(gè)DDS通道，因此，AD9959的使用可為多路雷達信號模擬器的設計提供了極大的方便。因為它可使得原本需要多片單通道DDS芯片的系統，現在只需一片AD9959即可完成系統功能。

　　圖4所示是一種基于A(yíng)D9959芯片的雷達中頻信號模擬系統的三通道設計結構框圖。其信號模擬過(guò)程為：嵌入式PC首先對目標及環(huán)境進(jìn)行建模和運算，以生成雷達信號仿真數據庫，然后由DSP根據嵌人式PC傳來(lái)的目標信息，計算出與DDS在不同時(shí)刻需要生成的對應信號頻率、相位和幅度數據。并將數據傳人FPGA，再由FPGA對數據進(jìn)行并串轉換，并在同步定時(shí)脈沖的觸發(fā)下，在特定時(shí)間將數據串行寫(xiě)入DDS，從而完成對DDS的設置。最后再由DDS同時(shí)產(chǎn)生三路中頻模擬信號。

　　6 結束語(yǔ)

　　AD9959由于內部集成有多個(gè)DDS通道，它無(wú)需多片單通道DDS芯片及其外部電路，因而有助于簡(jiǎn)化系統設計過(guò)程，減小PCB面積。實(shí)際試驗結果證明：AD9959具有的高性能，可使之廣泛的應用于雷達和通信系統之中。