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基于AD9858的線性調(diào)頻源設(shè)計

時間:2024-05-10 09:43:02 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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基于AD9858的線性調(diào)頻源設(shè)計

摘要:簡要介紹了線性調(diào)頻信號產(chǎn)生技術(shù)的現(xiàn)狀,給出了高性能DDS芯片AD9858的主要特點(diǎn)和配置方法,同時以圖形方式給出了基于AD9858芯片的倍頻器的硬件結(jié)構(gòu)及互連方法,詳細(xì)描述了輸出線性調(diào)頻信號的控制流程。

1 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,線性調(diào)頻信號已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)領(lǐng)域。過去獲得線性調(diào)頻信號主要借助模擬方法,其中包括VCO方法和聲表面波方法。這兩種脈沖電壓信號的產(chǎn)生方法因其一些固有的缺陷(如對環(huán)境溫度比較敏感、信號波形比較單一、信號產(chǎn)生的重復(fù)性差、線性度及信號間的相關(guān)性不理想等)而制約了雷達(dá)整機(jī)性能的提高。目前,VCO方法和聲表面波方法已漸漸被數(shù)字方法所取代。直接數(shù)字頻率合成方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的許多突出優(yōu)點(diǎn),如頻率分辨率和切換速度高,頻率切換時相位可保持連續(xù),超寬的頻率范圍,能實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計等。然而,其全數(shù)字化的工作原理也給它帶來了兩個缺點(diǎn),一是輸出雜散較大,二是輸出帶寬將受到限制。但是,這一缺陷隨著新工藝和新算法的出現(xiàn)正在逐漸得到改善。

AD9858是AD公司于2003年推出的一款高性能DDS芯片,其工作頻率高達(dá)1GHz,雜散性能指標(biāo)更高于以前的產(chǎn)品。AD9858憑借優(yōu)良的性能可廣泛應(yīng)用于甚高頻/超高頻本振合成器、雷達(dá)、蜂窩基站跳頻合成器等許多領(lǐng)域。

2。粒模梗福担傅闹饕攸c(diǎn)

AD9858的工作頻率最高可達(dá)1GHz,由于該芯片在時鐘輸入端提供有二分頻器,因而其外部時鐘最高可達(dá)2GHz。AD9858內(nèi)部集成有10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,其頻率分辨率(即頻率累加器位數(shù))為32位,可輸出高達(dá)400MHz的信號。而其內(nèi)部集成的可編程快鎖充電泵(charge pump)和鑒頻器(phase frequency detector)使其非常適合于高速DDS和鎖相環(huán)結(jié)合應(yīng)用的場合;同時,它還提供有模擬混頻器,可適用DDS、PLL和混頻器相結(jié)合的應(yīng)用場合。此外,AD9858的雜散抑制性能和諧波抑制性能也非常突出,當(dāng)輸出40MHz信號時,±1MHz帶寬內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換SFDR為-87dBc,輸出180MHz信號時,±1MHz帶寬內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換SFDR為-84dBc。

AD9858作為一個可編程DDS器件,其配置相對比較簡單,頻率調(diào)節(jié)字和控制字可以以并行方式或串行方式寫入。將數(shù)據(jù)寫入控制與工作有關(guān)的寄存器中就可以配置AD9858了。當(dāng)AD9858工作于點(diǎn)頻模式時,有四個用戶定義的頻率可以通過一對外部引腳來選擇,這四個頻率允許用戶寫入四個不同的頻率調(diào)節(jié)字和相位偏移字,從而獲得不同的頻率和相位偏移。AD9858還可以配置為掃頻模式。為了節(jié)省功耗,可以通過編程使其進(jìn)入全休眠狀態(tài)。

圖1

3。粒模梗福担傅呐渲

3.1 掃頻工作模式的配置

AD9858有兩種工作模式,單一點(diǎn)頻模式和掃頻模式。單一點(diǎn)頻模式的配置比較簡單,只需將控制寄存器(CFR)(注:與掃頻模式的配置類似,不同點(diǎn)在于將掃頻使能位置0)和頻率調(diào)節(jié)字(FTW)配置完畢,即可打開該功能。下面介紹掃頻工作模式的配置方法。掃頻模式需要配置的寄存器有控制寄存器(CFR)、頻率調(diào)節(jié)字(FTW)、步進(jìn)頻率調(diào)節(jié)字(DFTW)、步進(jìn)頻率斜率控制字(DFRRW)和相位偏移字(POW),其中,控制寄存器有4個字節(jié),地址分別為0x00、0x01、0x02和0x03。由于該設(shè)計未用到PLL功能,故與PLL有關(guān)的控制字均置為無效。0x01的Bit7為掃頻使能位,將其置1可打開掃頻功能。

對于線性調(diào)頻工作狀態(tài)的實(shí)現(xiàn),還有幾點(diǎn)需要說明。由于線性調(diào)頻信號是有時寬限制的,因此,AD9858具有輸出線性調(diào)頻信號的功能,但是不具有定時的功能,所以需要外部定時器來實(shí)現(xiàn)對時寬的控制。AD9858的線性調(diào)頻工作原理是:先指定頻率起始點(diǎn)和步進(jìn)頻率,并使頻率以系統(tǒng)時鐘的1/8或其整數(shù)倍進(jìn)行累加,但是在沒有指定上限的情況下,會一直掃到1/2參考時鐘頻率處(即奈奎斯特頻率),故需做好對上限頻率的控制。利用定時器可以實(shí)現(xiàn)對上限頻率的精確控制。

3.2 頻率調(diào)節(jié)字的計算

設(shè)輸出頻率為f0,相位累加器的位數(shù)為N,參考時鐘為fSYSCLK,則頻率調(diào)節(jié)字為?2?:

ftw=?f0×2N?/fSYSCLK

3.3 步進(jìn)頻率調(diào)節(jié)字的計算

設(shè)fF為終止頻率,fS為起始頻率,DFRRW為步進(jìn)頻率斜率調(diào)節(jié)字,T為線性調(diào)頻信號時寬,則步進(jìn)頻率控制字為?3??

DFTW=(|fF-fs|/fSYSCLK2)?DRRRW/T?×232

4 硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計利用AD9858上集成的鎖相環(huán)來將60MHz的時鐘信號倍頻到960MHz,以便使其作為DDS的工作參考時鐘,配置芯片選用Xilinx公司生產(chǎn)的CPLD芯片XC95144XL來完成。其電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

使用XC95144XL時,可按照AD9858數(shù)據(jù)手冊上提供的時序來對圖中所示的端口進(jìn)行操作,以便完成對AD9858的配置。用60MHz時鐘輸入到PFD端口可作為鑒頻器的輸入,VCO的輸出經(jīng)功分器后,一路經(jīng)16分頻后從DIV端口輸入作為鑒頻器的輸入,另一路直接從端口REFCLK輸入以作為DDS的參考時鐘。端口CP的輸出經(jīng)環(huán)路濾波后可作為VCO的調(diào)諧電壓。而線性調(diào)頻信號則從端口IOUT輸出,并經(jīng)帶通濾波器和放大器后,作為最終所需要的輸出。

5 控制流程

該設(shè)計的配置芯片選用的是Xilinx公司的XC95144XL,控制程序采用VHDL語言編寫。設(shè)計輸出的線性調(diào)頻信號的起始頻率為48MHz,終止頻率為72MHz,時寬為20μs,其控制流程如圖2所示。在系統(tǒng)接到上電復(fù)位信號后,可依次向CFR、FTW、DFTW、DFRRW寫控制字,然后等待脈沖展寬信號的到來。脈沖展寬信號為外部激勵信號,上升沿有效。當(dāng)檢測到一個上升沿之后,系統(tǒng)將發(fā)出一個update信號(update信號的作用是將寫入寄存器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入DDS內(nèi)核,同時使DDS按照新的配置開始工作),同時計數(shù)器開始計數(shù)并輸出寬度為20μs的線性調(diào)頻信號,同時對地址為0x02的寄存器進(jìn)行操作,以將Bi

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