摘要：針對高性能DDS芯片AD9858設(shè)計(jì)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(xiàn)過程，并對軟件控制流程進(jìn)行了詳細(xì)說明，結(jié)合理論時(shí)系統(tǒng)的相位噪聲和雜散性能做了簡要分析和計(jì)算，獲得測試結(jié)果驗(yàn)證了基于AD9858寬帶頻率合成器有較好的相位噪聲和雜散，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

　　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(shù)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(shù)頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快（小于100 ns），但雜散譜太多，難以抑制。鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算。該方法結(jié)構(gòu)簡化、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(zhuǎn)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(shù)字合成（DDS）是近年來迅速發(fā)展起來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(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率極高，相位變化連續(xù)，輸出波形的靈活性，并且DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)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(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。DDS也有局限性，主要表現(xiàn)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，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖1來表示。

圖1 DDS的原理框圖

　　相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個(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(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xù)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，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)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，所以選用的是AD9858芯片。AD9858的工作頻率可達(dá)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)鐘可達(dá)2 GHz.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)450 MHz的信號。而其內(nèi)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(jié)合應(yīng)用的場合；同時(shí)，它還提供有模擬混頻器，可適用DDS、PLL和混頻器相結(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。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　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(qū)動(dòng)電路組成。利用DDS替代小數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)頻率的微步進(jìn)。

　　2.1 硬件原理

　　工作原理框圖如圖2所示。

圖2 頻率合成的原理框圖

　　YTO振蕩器輸出作為鎖相環(huán)路的反饋信號，由于AD9858的時(shí)鐘可達(dá)2 GHz,所以反饋信號須經(jīng)過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)過內(nèi)置的2分頻作為DDS的采用時(shí)鐘。CPU根據(jù)YTO理論振蕩頻率計(jì)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(nèi)部集成的鑒相器，鑒相器輸出的是電流信息，它是由內(nèi)部集成的可編程快鎖充電泵（CP）來提供的，這個(gè)電流不能直接來驅(qū)動(dòng)YTO,所以經(jīng)過二階的無源環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)換成誤差電壓，經(jīng)YTO驅(qū)動(dòng)電路后來控制YTO調(diào)頻線圈，來鎖定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(jié)，分別對應(yīng)的地址為0x00,0x01,0x02和0x03.本方案采用AD9858內(nèi)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(diào)節(jié)字的計(jì)算公式：

　　頻率控制字（FTW）=fox232/fsysclk （f0:輸出頻率fsysclk:參考時(shí)鐘）

　　AD9858的控制芯片選用XILINX公司的XC95144PO100,由CPU通過FPGA將數(shù)據(jù)寫入到AD9858的片內(nèi)數(shù)字寄存器，可以對AD9858進(jìn)行靈活控制，軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

　　3 性能分析

　　3.1 本方案的優(yōu)點(diǎn)

　　DDS是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法，它相對于以前的頻率合成方法有眾多優(yōu)點(diǎn)。

　　1）輸出分辨率小，AD9858（參考時(shí)鐘頻率fc=600 MHz）的相位累加器為32位，分辨率為0.14Hz.

　　2）輸出頻率變換時(shí)間?。阂粋€(gè)模擬鎖相環(huán)的頻率變換時(shí)間主要是它的反饋環(huán)處理時(shí)間和壓控振蕩器的響應(yīng)時(shí)間，通常大于1 ms.而AD98 58的頻率變換時(shí)間主要是DDS的數(shù)字處理延遲，通常為幾十個(gè)ns.

　　3）調(diào)頻范圍大：一個(gè)負(fù)反饋環(huán)的帶寬輸出參考頻率決定了模擬鎖相環(huán)的穩(wěn)定的調(diào)頻范圍；整片的DDS合成器是不受穩(wěn)定性的影響的，在整個(gè)Nyquist頻率范圍內(nèi)是可調(diào)的。

　　4）相位噪聲?。篋DS優(yōu)于PLL的優(yōu)勢就是它的相位噪聲。由于數(shù)字正弦信號的相位與時(shí)間成線形關(guān)系，整片的DDS輸出的相位噪聲比它的參考時(shí)鐘源的相位噪聲小。而模擬鎖相環(huán)的相位噪聲是它的參考時(shí)鐘的相位噪聲的加倍。

　　5）設(shè)計(jì)方便：整片DDS包括了信號D/A變換器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)易于實(shí)現(xiàn)，而且現(xiàn)在的DDS不再需要專門的射頻設(shè)計(jì)，簡單的數(shù)字控制減少了硬件的復(fù)雜性。

　　3.2 本方案雜散性能分析

　　雜散來源主要有DDS的雜散輸出和PLL鑒相頻率fr的泄漏。由于DDS的雜散輸出較豐富，當(dāng)雜散分布在環(huán)路帶寬以內(nèi)時(shí)，由于PLL的倍頻效應(yīng)使帶內(nèi)的雜散抑制比惡化：

　　S=20lg（N）dB其中：N為PLL的分頻比；

　　當(dāng)DDS的雜散位在PLL環(huán)路帶寬以外時(shí)，受到環(huán)路的抑制，從而使雜散抑制比改善：

　　S=20lg（N）dB

　　理論上，DDS的輸出雜散由下式?jīng)Q定：

　　SQR=1.76+6.02B+20Log（FFS）+10Log（Fsos/Fs）（dB）

　　其中：B是輸出的DAC的位數(shù)

　　FFS是使用DAC滿刻度的百分比

　　Fsos是過采樣速率

　　Fs是奈奎斯特速率

　　例如：對與AD9858DDS,輸出滿刻度0.7的150 MHz,時(shí)鐘為900 MHz,其雜散為

　　SQR=1.76+6.02x104-20log（0.7）+10log（900/300）=63.63（dB）

　　4 測試結(jié)果

　　本系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要是考察AD9858輸出的雜散指標(biāo)。測試條件在AD9858參考時(shí)鐘600 MHz,DAC輸出150 MHz.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下圖4所示。近端雜散優(yōu)于-80 dBc和AD9858的資料相符，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 窄帶雜散，150 MHz輸出

　　5 結(jié)束語

　　隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成得到了日益廣泛的應(yīng)用，DDS作為頻率合成技術(shù)倍受青睞，但是也存在一些問題。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，相信DDS會(huì)有更為出色的表現(xiàn)。