基于AD9858的DDS_PLL频率合成器_图文

1、收稿日期:2009-07-16;修改日期:2009-08-11作者简介:徐媛媛(1982-,女,硕士,主要研究方向:频率合成。基于AD9858的DDS +P LL 频率合成器徐媛媛(西南石油大学计算机科学学院,成都610500摘要:基于锁相频率合成技术(P LL 和直接数字频率合成技术(DDS 各有其优缺点,文章将两者结合,提出设计方案,并给出了主要的硬件电路设计,以产生符合预期要求的雷达信号。设计以AD9858为核心器件,输出DDS 频率信号,为P LL 提供参考输入信号。P LL 中的鉴相器采用ADF4107,同时利用FPG A 对两者进行方便的控制,可以获得较快的频率转换时间,相位噪声为

2、-90d Bc /Hz 且杂散优于-70d Bc 的雷达信号。最终得到一个综合指标较高的系统。关键词:AD9858器件;DDS 合成技术;P LL 合成技术;频率合成中图分类号:T N74文献标识码:B 文章编号:1672-4550(200905-0004-04DDS +P LL Frequency Synthesi zer Based on AD 9858XU Yuan 2yuan(School of Computer Science,Southwest Petr oleum University,Chengdu 610500,China Abstract:Phase l ocked l o

3、op and direct digital frequency synthesis technol ogy have their merits and disadvantages res pectively,s o it is feasible t o combine the 2methods,perfor m their merits and t o overcome their disadvantages,which can generate wideband and super wideband radar signal expected,and it puts up with desi

4、gn sche me and main hard ware circuit design .I n the design,with AD9858as the core device,out put of DDS is used t o sti m ulate P LL,namely DDS p r ovides the reference signal of P LL,with ADF4107as the phase detect or of P LL 1Then FPG A contr ols conveniently DDS and P LL by p r ocedures .A s a

5、result,the out put signal has the fast con 2versi on ti m e,phase noise of which is -90d Bc /Hz,and the s pur of which is better than -70d Bc .So this syste m has a high 2perf or m 2ance aggregative indicat or 1Key words:AD9858device;DDS synthesis technol ogy;P LL synthesis technol ogy;frequency syn

6、thesizer1引言对于现代雷达不单是要求完成对目标位置、速度等信息的提取,还要求对目标进行成像分析和辨识。这就需要雷达发射的信号具有大带宽,以获得高距离分辨力和(或激励出目标其他的特征。因此,产生宽带、超宽带雷达信号,成为雷达信号源设计的一个重要要求。频率合成技术经历了3代:直接频率合成技术、锁相频率合成技术(P LL 和直接数字频率合成技术(DDS 。P LL 作为第2代频率合成技术有着稳频、频带宽和杂散抑制好等优点,但频率转换时间较长;而DDS 技术作为一种新颖的频率合成方式,具有极高的频率分辨率和极短的频率转换时间等优点,但根据Nyquist 定理,其工作频带会受到一定限制。由于P

7、LL 和DDS 各有其优缺点,因此将它们结合起来,DDS 作为P LL 的激励源,P LL 作为跟踪倍频锁相环,以此获得更高的频率分辨率、更低的相位噪声和更宽的频带。1DDS 激励P LL 的频率合成器的原理1DDS 由相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟f c 5部分构成。经过对频率控制字K 的线性累加,最终得到其输出频率f DDS 与时钟频率f c 之间的关系(其中N 为相位累加器的位数:f DD S =K2Nf cP LL 由鉴相器P D 、环路滤波器LF 、压控振荡器VCO 和分频器构成,如图1所示。压控振荡器的瞬时频率受来自环路滤波器的误差电压控制,其输出信号的相

8、位随输入信号相位的变化而变化,从而实现相位跟踪 。图1P LL 的结构图4实验科学与技术2009年10月输出频率f o 与f DDS 的关系如下:f o =M ×f DDS =M ×K2N f c =K ×f m in (1式中,f c 为DDS 的时钟频率;K 为DDS 的频率控制字;f m in 为合成器输出信号的频率分辨率。可见,该频率合成器输出的频率分辨率是DDS 的M 倍,即使DDS 的相位累加器的字长做得较大时,仍然可以得到较高的频率分辨率。DDS 的输出频率,由滤波器滤波后作为P LL 的参考频率输入。每一个P LL 输出频率是参考频率的M 倍。DD

9、S/P LL 组合的信号波形合成器,通常有如下3种组合方式:(1环外混频式,(2环内插入混频,(3DDS 激励P LL 。由于输出频率是由DDS 和P LL 混频产生的,因此DDS 产生的杂散会通过混频器的作用搬移到高频段,这样对消除杂散增加了难度并且电路稍显复杂。而环内插入混频式结构中有带通滤波器,因为如果最终输出频率越高,会使得M f r +f DD S 与M f r -f DD S (f r 为鉴相器的参考频率,M 为分频次数的距离越近,这就要求带通滤波器BPF 有很陡的衰减特性。所以,此方案只适合输出频带窄、输出频率点少的系统。因此选择DDS 激励P LL 方式。3DDS 激励P LL

10、 的杂散和相位噪声分析1对于DDS 而言,P LL 相当于具有滤波特性的倍频器。DDS 输出的杂散有3个来源:(1由相位截断误差引起的调相杂波,(2由幅度量化误差引起的调幅杂波,(3由DAC 非线性和时钟寄生耦合所引起的附加离散杂波。相位噪声是各种随机噪声所造成的瞬时频率或相位的起伏,决定着信号短期频率稳定度,本设计所特别关注的一个参数。DDS 的相位噪声较它的参考源改善20lg (f c /f o d B 。这种改善受DDS 电路所限制。P LL 的倍乘将DDS 的相位噪声在闭环宽带内乘以20lg M dB ,在环路带宽外以6d B 倍频程下降。环路输出信号的相位噪声为参考源的相位噪声和VC

11、O 的相位噪声的累加,并且在环路带宽之内。由于环路的开环增益较大,削弱了VCO 对系统相位噪声的影响,输出信号的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。而在环路带宽之外,系统闭环增益小,输出信号的相位噪声主要取决于VCO 的相位噪声,这样就避免了VCO 近端相位噪声较差的弊端。若P LL 的环路带宽较宽的话,可以缩短频率转换时间;较窄则相反。因此,整个频率合成器的相位噪声为:DDS 的输出频率的相噪、鉴相器的噪声基、分频所造成的相噪。4硬件电路设计411整体方案2通过接口电路,把事先编好的程序载入FP 2G A,即把频率控制字送至DDS 芯片的相位累加器中,相位累加器根据该频率控制字输出响应的线性

12、递增的相位序列。该相位序列的高位通过相位幅度转换器和DDS 芯片内的DAC 得到被采样过的正弦波,再通过低通滤波器得到一个比较光滑的正弦波即作为P LL 的输入。采用DDS 激励P LL 的方法实现频率合成 ,合成器的原理如图2所示。图2DDS 激励P LL 的频率合成器的原理图412器件选择3本系统选择了美国Xilinx 公司生产的FPG A 器件、V irtex -系列器件XCV100-5BG256,配置芯片为XC18V01S O20C,配置模式采用的Master Serial 模式。目前各大芯片制造厂商都相继推出采用先进C MOS 工艺生产的高性能和多功能的DDS芯片。比如,AD 公司的

13、AD985X 系列,Qualcomm 公司的Q2230和Q2334。但其中应用较为广泛的是AD 公司的AD985X 系列。和AD I 公司以前的DDS芯片相比,AD9858的突出优点在于它内部具有4个频率调谐寄存器,这使AD9858即使在单点频模式下也可以1/8SYSCLK 的速率在4个不同的频率之间跳变,而且AD9858还含有4个相位偏移寄存器。这4套寄存器可通过AD9858的PS0、PS1管脚任意选择,利用DSP 的可编程I/O 输出引脚控制PS0、PS1进行跳频,其时间要远远小于传统的通过对I/O 端口操作进行跳频所需的时间。同时AD9858是第一个具有高达1GS/s 的直接数字频率合成

14、器,其内部时钟可高达1GHz 。由于AD9858可对输入时钟进行2分频,所以外部输入时钟可高达2GHz 。它具有313V 的低电源供电优点、方便灵活的外部接口方式、多种信号输出形式,即具有较高的性价比。合成器中的鉴相器选择ADF4107。ADF4107能用于无线收发器在上变频和下变频的本振补偿。还可用于无线宽带通道、仪器仪表、无线局域网5第7卷第5期Experi m ent Science &Technol ogy(LAN和无线基站等系统中。它由1个低噪声的数字相位/频率检波器PF D,1个精确的充电泵,1个可编程的A,B计数器以及1个双模式的前置分频器(P/P+1组成。A(6位和B(

15、13位计数器与双模式的前置分频器(P/P+1连接,能实现1个分频比为N的分频器。此外,14位的基准计数器(R计数器允许在PF D的输入端选择REF I N的外接参考频率输入。ADF4107频率合成器与外部的环路滤波器和压控振荡器VCO或者压控晶体振荡器(VCXO可以实现1个完整的锁相环路P LL。它有高的带宽,意味着在高频系统中能除去倍频器,使系统简化并可降低生产成本。该器件的主要特点如下:(17GHz的带宽;(2工作电压:217 313V;(3最高参考频率输入250MHz,具有4种分频比(P/P+18/9,16/19,32/33,64/65;(4由于N=BP+A,所以该器件的最小分频比N 为

16、24;(5编程控制采用3线串行接口;(6能够进行模拟和数字锁定检测;(7具有良好的相位噪声参数,相噪基为-219dBc/Hz。鉴相器中包含4个寄存器:R计数器、A计数器B计数器、功能寄存器和初始化寄存器。通过接口电路,对A和B进行参数设置,即可得到N。环路滤波器是该设计中的一个重要部分,它的性能直接关系到输出的杂散和相位噪声。采用AD I公司提供的软件AD Isi m P LL可以方便地设计出环路中每个元件的参数。这里采用三阶无源积分滤波器4。413硬件电路的注意事项由于该电路是数模混合电路且工作频率很高,所以一定要注意电磁干扰问题。本电路采用四层电路板设计,其中PCB板上的走线要尽量在顶层和

17、底层,去耦电容尽量靠近芯片管脚,中间两层少走线,而且走线要尽可能短。在混合信号电路板上,数字电路频率高而模拟电路敏感度强,因此把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地分别分隔开。在整块板上采用多点大面积就近接地,以缩短电流回路,同时走线中尽量加粗接地线,以防止接地电位随电流变化而变化,致使电平不稳,抗噪声性能下降。P LL电路设计图如图3所示。5测试结果从仿真结果来看,系统从100MHz到130MHz 的频率转换时间仅仅需要213m s。其相位噪声在-90d Bc/Hz左右,分别如图4、图5所示。表明该系统对抑制相位噪声效果比较好, 符合预期的要求。图3P LL 电路设计图图4 相位噪声图5频率转

18、换时间为了达到更好的效果,在DDS和P LL之间可添加一个带通滤波器BPF。这是由于P LL本身是一非线性电路,如果DDS输出端有比较高的杂散,那么器件的非线性可能会带来一些交调杂散。同时从频谱分析仪上可以看出,加上BPF后,中心频率附近的杂散抑制效果十分明显。较小带宽的BPF 可以提高频谱纯度,但选择BPF的带宽如果过窄,则会影响频率转换速度。6结束语综上所诉,采用DDS激励P LL的方法可以产生低相噪宽带雷达信号。即便得到相当高的频率,(下转第28页体(F和3次渗碳体(极其微量,通常予以忽略,分布于晶界位置组成。而实际生产过程中所谓的“工业纯铁”,习惯上的称呼有很多,比如,电工用纯铁、软铁

19、、电解铁、阿姆可铁、工业纯铁(01021 801 04C以及电磁纯铁等。电磁纯铁是最常见到的“工业纯铁”,其成分参见表1。从表1中的含碳量可知,实际生产过程中的“工业纯铁”的概念,绝对不是理论上工业纯铁的概念,实际上,多数都属于微碳含量的亚共析钢,这是需要在教学过程中告诉同学们的,在具体问题的分析过程中才不会出现失误;也提醒同学们,理论学习在实践中的应用会碰到许多与教科书并不是完全相同的情况,不要僵化应用。412相图以及相图分析的重要性合金相图是研究合金中各种组织的形成及变化规律的有效工具,在生产实践中,合金相图可作为制定合金熔炼、锻造和热处理工艺的重要依据10。在工业纯铁红脆现象问题的分析过

20、程,如果没有准确、完整的相图,很多问题是无法解释清楚的;此事在实践教学过程中可以作为一个关于相图介绍的生动事例。同时,在Fe-S相图分析过程中,会遇到一些教科书中没有提及的情况。比如,前面分析过程中遇到的由于奥氏体中硫的固溶度降低后出现的液相的析出(+L,材料从固相又进入固、液两相区这一组织转变过程应该如何命名、称呼,教科书中没有涉及。复杂的相图分析,需要在基础理论的前提下作进一步的诠释。由于固溶度的降低,造成新相的析出,这在固态相变过程中常见;而析出液相,这不是经常遇到的。相图介绍是材料科学基础课程中的基础内容,相图研究对认识物质世界,特别是在材料科学中具有重要意义11;同时,相图计算随着计

21、算机技术的突飞猛进而越来越得到了人们的重视12,这对于在计算机技术方面感兴趣的材料专业的同学是一个现实的未来专业、职业发展的增长点,可以有意识地进行引导。5结束语依靠相图分析可知,由于硫元素的存在,且没有相应的消除硫的危害作用的手段得以采用,工业纯铁在锻造过程中随着温度的降低就会出现晶界液化问题,必然造成工业纯铁出现锻造破裂问题。消除了硫的危害,也就消除了红脆现象。在实践教学过程中,根据实际生产中遇到的具体问题说明相图学习的重要性,以及合金相图绘制的基础性可以使教学过程更感性、生动,有助于教学活动的开展,还可以引导同学未来发展的方向。参考文献1邹光发1电工纯铁的红脆性分析及其锻造工艺J1航空制造技术,1980,23(5:30-3512