高集成度DDS器件AD9954的特點及在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

1、概述

AD9954是采用先進的DDS技術(shù)開發(fā)的高集成度DDS器件。它內(nèi)置高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器及超高速比較器，可用為數(shù)字編程控制的頻率合成器，能產(chǎn)生200MHz的模擬正弦波。AD9954內(nèi)含1024×32靜態(tài)RAM，利用該RAM可實現(xiàn)高速調(diào)制，并支持幾種掃頻模式。AD9954可提供自定義的線性掃頻操作模式，通過AD9954的串行I/O口輸入控制字可實現(xiàn)快速變頻且具有良好的頻率分辨率。其應(yīng)用范圍包括靈敏頻率合成器、可編程時鐘發(fā)生器、雷達和掃描系統(tǒng)的FM調(diào)制源以及測試和測量裝置等。AD9954的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要特性如下：

●內(nèi)置400MSPS時鐘；

●內(nèi)含14位DAC；

●相位、幅度可編程；

●有32位頻率轉(zhuǎn)換字；

●可用串行I/O控制；

●內(nèi)置超高速模擬比較器；

●可自動線性和非線性掃頻；

●內(nèi)部集成有1024×32位RAM；

●采用1.8V電源供電；

●可4～20倍倍頻；

●支持大多數(shù)數(shù)字輸入中的5V輸入電平；

●可實現(xiàn)多片同步。

2、 引腳說明

AD9954采用48腳TQFP/EP封裝，其引腳排列發(fā)圖2所示，各引腳定義如下：

I/O UPDATE：在該引腳的上升沿可把內(nèi)部緩沖存儲器中的內(nèi)容送到I/O寄存器中。引腳電平的建立和保持與SYNC-CLK輸出信號有關(guān)；

DGND和AGND：數(shù)字地與模擬地；

OSC/REFCLK和OSC/REFCLK：參考時鐘或振蕩輸入端：

CYRSTAL OUT：振蕩器輸出端；

CLKMODESELECT：振蕩器控制端，為1時使能振蕩器，為0時不使能振蕩器；

LOOP_FILTER：該引腳應(yīng)與AVDD間串聯(lián)一個1kΩ電阻和一個0.1μF電容；

IOUT和IOUT：DAC輸出端，使用時應(yīng)接一個上接電阻；

DACBP：DAC去耦端，使用時應(yīng)接一個0.01μF的旁路電容；

DAC_RSET：DAC復(fù)位端，使用時應(yīng)通過一個3.92kΩ的電阻接至AGND端；

COMP_OUT：比較器輸出端，可以輸出方波或脈沖信號；

COMP_IN和COMP_IN：比較器輸入端；

PWRDWNCTL：外部電源掉電控制輸入引腳；

RESET：芯片復(fù)位端；

IOSYNC：異步串行端口控制復(fù)位引腳；為1時，當前I/O操作立即停止；為0時開始新的I/O操作；不用時，此引腳必須接地；

SDO：采用3線串口操作時，SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端。采用2線串口操作時，SDO不用，可以不連；

CS：片選端，低電平有效，允許多芯片共用I/O總線；

SCLK：I/O操作的串行數(shù)據(jù)時鐘輸入端；

SDIO：采用3線串口操作時，SDO為串行數(shù)據(jù)輸入端，采用2線操作時，SDO為雙向串行數(shù)據(jù)端。

DVDD_I/O；I/O電源，可以是1.8V或3.3V；

SYNC_IN：同步多片AD9954輸入信號，使用時與主AD9954的SYNC_CLK的輸出相連；

SYNC_CLK：時鐘輸出腳，為內(nèi)部時鐘的1/4，可用作外圍硬件同步；

OSK：在編程操作時可用該腳來控制幅度與時間斜率，與SYNC_CLK同步；當OSK不能被編程時，此腳接DGND；

PS1和PS0：可用來選擇4個RAM段控制字區(qū)中的一個。

3、 AD9954的串行操作

在AD9954的串行操作中，指令字節(jié)用來指定讀/寫操作和寄存器地址。由于串行操作是在寄存器級別上發(fā)生的，因此串行端口控制器應(yīng)能識別指令字節(jié)寄存器地址和自動產(chǎn)生適當?shù)募拇嫫髯止?jié)地址。在串行操作指令階段和通信階段，一般先傳送指令階段的指令字，指令階段對應(yīng)于SCLK的前8個上升沿，其對應(yīng)的指令字（8比特）包含了以下信息：

其中R/W位用于決定指令字后的操作是讀還是寫，高電平為讀出，低電平為寫入；6、5位的電平高低與操作無關(guān)；4～0位則對應(yīng)于A4～A0，表示操作串行寄存器地址，該地址信息同時包含了與該指令字所在指令段對應(yīng)的通信段的傳送字節(jié)數(shù)。指令階段后接著是通訊階段，傳送對應(yīng)于字節(jié)數(shù)的幾個通信周期。

通信周期完成后，AD9954的串口控制器即認為接下來的8個SCLK的上升沿對應(yīng)的是下一個通信周期的指令字。IOSYNC引腳為高時將立即終止當前的通信周期，而當IOSYNC引腳狀態(tài)回到低電平時，AD9954串口控制器即認為接下來的8個系統(tǒng)時鐘的上升沿對應(yīng)的是下一個通信周期的指令字，從而保持通信的同步。

AD9954的串行操作有兩種數(shù)據(jù)傳送方式，即從最高位開始傳送和從最低位開始傳送，這是由控制寄存器0的第8位來決定的。默認狀態(tài)為低電平，此時先傳送最高位，若為高電平則先傳送最低位。串行操作的讀/寫時序如圖3所示。

4、 AD9954的RAM

AD9954內(nèi)部的1024×32靜態(tài)RAM具有雙向單一入口，對它進行的讀/寫操作不能同時進行，寫操作優(yōu)先。RAM的使能位是CFR《31》（控制功能寄存器31位），此位為低時，對RAM的操作只能通過串行端口；此位為高且CFR《30》為邏輯0時，RAM的輸出為相位累加器的輸入，此時給芯片提供的是頻率轉(zhuǎn)換字；此位為高且CFR《30》為邏輯1時，RAM的輸出可作為相位偏移加法器的輸入給芯片提供相位偏移控制字。寫RAM的操作首先通過控制PS1、SP0來選擇RAM段。然后再對相應(yīng)的RAM控制寄存器寫RAM操作的地址變化率、起始地址、終止地址、模式控制和停留方式位。RAM段控制寄存器的5、6、7位可用來指示RAM操作的5種模式，即直接轉(zhuǎn)換模式、上斜坡模式、雙向斜變模式、連續(xù)雙向斜變模式和連續(xù)循環(huán)模式。其中連續(xù)循環(huán)模式是使能RAM，RAM模式控制字為100，這種模式可提供自動、連續(xù)、單向的掃頻，地址發(fā)生器從起始地址開始，當其增加到終止地址后會自動回到起始地址重新開始下次循環(huán)。

RAM段控制寄存器的39～24位可定義RAM控制器在每個地址停留的SYNC_CLK的周期數(shù)，取值范圍是1～65535；9、8、23～16位用于定義10位終止地址；3～0、15～10位則用于定義10位起始地址。

5 、在高速調(diào)制系統(tǒng)中的應(yīng)用

調(diào)制信號對干擾有較強的抵抗作用，同時對相鄰信道的信號干擾也較小，并具有解調(diào)方便且易于集成等優(yōu)點，因此數(shù)字調(diào)制信號系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信設(shè)備及科研教學(xué)儀器中。由于受頻率精確度、穩(wěn)定度和范圍等因素的制約，提高數(shù)字調(diào)制方式中的FM速度是難點，用高性能DDS芯片AD9954可以很好的解決這個問題。AD9954具有良好的頻率分辨率和快速、連續(xù)的變頻能力，它內(nèi)部有靜態(tài)RAM，能實現(xiàn)高速數(shù)字調(diào)頻。

數(shù)字調(diào)制信號系統(tǒng)的框圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用DSP作為控制電路的核心，來向AD9954寫命令字，AD9954將產(chǎn)生所需頻率的正弦或調(diào)制信號，并經(jīng)低通濾波器后輸出。

AD9954的串口與DSP相連，DSP通過AD9954的CS、SCLK、SDIO和SDO管腳向AD9954寫入數(shù)據(jù)和控制字。首先設(shè)置特定的寄存器控制字，以允許RAM工作，接著將RAM輸出作為相位累加器的輸入給芯片提供頻率轉(zhuǎn)換字，然后寫好RAM段控制寄存器的值，定義好起始地址、終止地址并選擇好工作模式。例如，在RAM地址256～511中寫入計算好的頻率值，主要操作過程如下：

（1）允許RAM操作，清除CFR《30》；

（2）選擇模式5即連續(xù)循環(huán)模式；

（3）選擇RAM段1，PS0=1，PS1=0；

（4）指令字節(jié)為00001001；

（5）定義通信階段的通信周期數(shù)為256，把數(shù)據(jù)寫入RAM存儲器地址256～511中；

（6）改變I/O UPDATE啟動模式工作。

本系統(tǒng)可由地址的變化速率來計算調(diào)制速度，地址變化速率RAM段控制寄存器中的地址變化率控制字決定，其值的范圍是1～65535，定義的時間是SYNC_CLK的周期數(shù)。由于SYNC_CLK最大為100MHz，從而決定了地址變化率控制字為1時能定義的最快速度為100MHz，假設(shè)一個波形要采集256個點，那么調(diào)制速度為100 MHz/256=400kHz；如果采樣點為100個，則調(diào)制速度可達100 MHz/100=1 MHz。由于AD9954產(chǎn)生的調(diào)制波形采樣點多，采樣時間精確，因此波形性能較好。

6、 結(jié)束語

高性能DDS芯片由于其AD9954內(nèi)部集成有RAM，因此，利用RAM的存儲功能，能夠產(chǎn)生頻率分辨高，波形性能好，調(diào)制速度高達1 MHz的調(diào)頻波，該速度是其他DDS芯片的幾十～幾百倍，因而可廣泛應(yīng)用于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計之中。

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