采用直接數(shù)字頻率合成器實(shí)現(xiàn)多片AD9852芯片接口的設(shè)計(jì)

直接數(shù)字頻率合成器（DDS）因具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程控制和全數(shù)字化結(jié)構(gòu)、便于集成等優(yōu)越性能，在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。目前，在相控陣?yán)走_(dá)和多路信號(hào)波形發(fā)生器等一些應(yīng)用場(chǎng)合，開始出現(xiàn)同時(shí)使用多片DDS芯片輸出多路同步信號(hào)波形的趨勢(shì)。在三通道雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)中，使用數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6701對(duì)三片直接數(shù)字頻率合成器芯片AD9852同時(shí)進(jìn)行控制的接口電路，研究了對(duì)多片AD9852芯片輸出模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位同步的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文就這一接口電路作介紹。

1、AD9852和TMS320C6701簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)選用的直接頻率合成器是AD公司生產(chǎn)的AD9852，它能產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程控制的高穩(wěn)定的模擬信號(hào)。在最高系統(tǒng)時(shí)鐘300MHz時(shí)，輸出頻率的范圍可達(dá)DC-120MHz，精度可達(dá)1.066μHz，頻率轉(zhuǎn)換速度可達(dá)每秒1×10 8個(gè)頻率點(diǎn)；具有14位數(shù)控調(diào)相和12位數(shù)控調(diào)幅功能；具有相移鍵控（PSK）、掃頻功能（CHIRP）和頻移鍵控（FSK）功能。

該系統(tǒng)選用的數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）是TI公司生產(chǎn)的高速浮點(diǎn)TMS320C6701，其內(nèi)部CPU集成了8個(gè)并行功能單元，配有32個(gè)32位通用寄存器，它在6ns周期時(shí)間里最多可同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，其運(yùn)算能力可達(dá)1G FLOPS；存儲(chǔ)器尋址空間為32位，可尋址8/16/32位數(shù)據(jù)；有4個(gè)自加載的DMA傳輸通道。

2、TMS320C6701與AD9852接口電路

TMS320C6701是本系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是將控制信號(hào)和信號(hào)波形參數(shù)發(fā)送到AD9852內(nèi)部相應(yīng)的控制寄存器，二者的接口電路原理框圖如圖1所示。

對(duì)AD9852內(nèi)部控制寄存器可以進(jìn)行并口或串口的讀寫操作。因?yàn)锳D9852的串口傳輸速率最大僅為10MHz，而并口傳輸速率可達(dá)高達(dá)100MHz，為了提高DSP對(duì)AD9852的控制速度，本系統(tǒng)采用了并行接口方式，三片AD9852的8位數(shù)據(jù)總線同時(shí)占用DSP數(shù)據(jù)總線的D0～D7位，它們的6位地址總線同時(shí)點(diǎn)用DSP地址總線的A2～A7位。由于AD9852器件沒有片選輸入信號(hào)。需要利用DSP的寫信號(hào)/AWR、片選信號(hào)/CE0和高位地址數(shù)據(jù)線的第A21～A20位，并由EPLD對(duì)其進(jìn)行譯碼要成WRB NO.1、WRB NO.2和WRB NO.3寫信號(hào)，分別控制三片AD9852器件的寫信號(hào)WRB，該寫信號(hào)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入到AD9852的I/O緩沖寄存器中數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)寫入到AD9852的I/O緩沖寄存器中進(jìn)行緩存，這樣就實(shí)現(xiàn)了片選不同AD9852芯片目的。

TMS320C6701還控制EPLD產(chǎn)生三片AD9852需要的復(fù)位信號(hào)RESET和外部更新時(shí)鐘EXT I/O UPDATECLK。為了使三片AD9852和EPLD之間系統(tǒng)時(shí)鐘同步，它們的外部參考時(shí)鐘REFCLK由同一個(gè)50MHz的溫補(bǔ)晶振提供。

3、 三片AD9852同步工作的關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)三片AD9852輸出信號(hào)波形相位同步，必須保證所有的AD9852芯片在同一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍下工作，每個(gè)AD9852的系統(tǒng)時(shí)鐘之間的相位誤差應(yīng)該最大不超過一個(gè)周期。AD9852內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘形成原理圖如圖2所示。AD9852有關(guān)分或單端兩種參考時(shí)鐘形式，它們既可以直接形成系統(tǒng)時(shí)鐘，又可以通過參考時(shí)鐘倍頻器倍頻后形成系統(tǒng)時(shí)鐘，選擇哪種參考時(shí)鐘和是否通過參考時(shí)鐘倍頻器倍頻可由用戶根據(jù)需要自行設(shè)置；異步的外部更新時(shí)鐘經(jīng)過邊沿檢測(cè)電路后與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，形成上升沿，觸內(nèi)部控制寄存器更新內(nèi)容。從上述分析中可以看出，只有三處AD9852芯片參考時(shí)鐘同步，才能避免它們系統(tǒng)時(shí)鐘彼此之間不同步。下面介紹影響三片AD9852芯片同步工作的幾個(gè)關(guān)鍵信號(hào)。

3.1 參考時(shí)鐘信號(hào)

實(shí)現(xiàn)多片AD9852芯片同步的首要要求是每個(gè)AD9852的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘之間必須有最小的相位差。本系統(tǒng)要求用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)源產(chǎn)生四路相干時(shí)鐘分別分配給EPLD和三片AD9852，這給保證時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力和信號(hào)完整性帶來了難度。本系統(tǒng)的解決辦法是將溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生的信號(hào)首先傳送到一個(gè)零延遲時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片CY2305的輸入端，再由該芯片輸出四路同步時(shí)鐘信號(hào)，其中一路時(shí)鐘直接供給EPLD，其它三路時(shí)鐘分別輸入給三個(gè)MAX9371芯片，此芯片把輸入的單端LVTTL電平時(shí)鐘轉(zhuǎn)化成差分LVPECL電平時(shí)鐘后，再分別輸入給三片AD9852芯片。為了使輸入到每個(gè)AD9852的參考時(shí)鐘信號(hào)的延遲時(shí)間保持一致，需要采用蛇形差分對(duì)的走線方法精心布線，使參考時(shí)鐘PCB走線距離相同。本系統(tǒng)AD9852的參考時(shí)鐘之所以采用差分輸入模式，是因?yàn)樗粌H可以抑制時(shí)鐘信號(hào)上的共模噪聲，而且它還具有最小的率和更短的上升和下降時(shí)間（小于1ns）。

3.2 更新時(shí)鐘信號(hào)

在對(duì)AD9852進(jìn)行控制編程時(shí)，寫入AD9852的數(shù)據(jù)首先被緩存在內(nèi)部的I/O緩沖寄存器中，不會(huì)影響到AD9852的工作狀態(tài)；只有當(dāng)AD9852的更新時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來時(shí)，觸發(fā)I/O緩沖寄存器把數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部控制寄存器以后才改變AD9852的工作狀態(tài)。更新時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方式，一種是由AD9852芯片內(nèi)部自動(dòng)地產(chǎn)生，用戶可以對(duì)更新時(shí)鐘的頻率進(jìn)行編程來產(chǎn)生固定周期的內(nèi)部更新時(shí)鐘；另一種是由用戶提供外部更新時(shí)鐘，此時(shí)AD9852 I/O UD引腳為輸入引腳，由外部控制器提供信號(hào)。

在同時(shí)定改三片AD9852內(nèi)部的頻率和相痊控制寄存器的過程中，為了防止因數(shù)據(jù)建立和保持時(shí)間的原因而出現(xiàn)編程信息傳輸錯(cuò)亂，使AD9852的輸出信號(hào)失去同步，本系統(tǒng)使用由EPLD提供的同一個(gè)外部更新時(shí)鐘信號(hào)。若使用AD9852內(nèi)部更新模式，盡管可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但因?yàn)锳D9852內(nèi)部時(shí)鐘頻率較高，會(huì)受到AD8952接口速率的限制，使AD9852的控制時(shí)序不易控制。對(duì)外部更新時(shí)鐘信號(hào)的PCB布線同參考時(shí)鐘的要求一樣，必須使它的上升沿同時(shí)到達(dá)每片AD9852.

3.3 復(fù)位信號(hào)

該系統(tǒng)三片AD9852使用同一個(gè)復(fù)位信號(hào)，它在系統(tǒng)上電后和發(fā)送控制數(shù)據(jù)之間由EPLD產(chǎn)生，對(duì)AD9852的所有寄存器進(jìn)行初始化，使相位累加器的狀態(tài)被設(shè)置為初始零 相位，使三片AD9852輸出信號(hào)相位同步有個(gè)參考起始點(diǎn)；它也可以控制AD9852內(nèi)部的14位相位調(diào)整控制寄存器，根據(jù)實(shí)際需要使它們輸出的模擬信號(hào)之間保持一定相位差，它調(diào)整相位的精度可達(dá)到0.022°。

3.4 參考時(shí)鐘信號(hào)倍頻

輸出頻率較低的溫補(bǔ)晶振性價(jià)比較高，當(dāng)使用它產(chǎn)生參考時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，需要使用AD9852片內(nèi)參考時(shí)鐘倍頻器的鎖相環(huán)電路，實(shí)現(xiàn)4～20倍頻后才成為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，這使多片AD9852芯片同步工作的問題變得復(fù)雜了，這是因?yàn)锳D9852內(nèi)部的鎖相環(huán)工作有兩個(gè)狀態(tài)；鎖定狀態(tài)和獲得鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)和輸入的參考時(shí)鐘信號(hào)可以保持同步。但當(dāng)給AD9852發(fā)送控制指令時(shí)，其參考時(shí)鐘倍頻器工作后的一小段時(shí)間內(nèi)，鎖相環(huán)不能立刻鎖定，它工作在獲得鎖定狀態(tài)，此時(shí)傳送到AD9852的相位累加器的系統(tǒng)時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)是不可控的，直接導(dǎo)致三片AD9852輸出的信號(hào)之間相位不能同步，因此一定要等待鎖相環(huán)工作在鎖定狀態(tài)以后，再更新AD9852內(nèi)部頻率或相位等控制字。AD9852片內(nèi)鎖相環(huán)鎖定典型時(shí)間約為400μs，由于每個(gè)AD9852的鎖定時(shí)間不盡相同，建議至少留出1ms時(shí)間給鎖相環(huán)鎖定。

3.5 數(shù)據(jù)總線和地址總線信號(hào)

TMS320C6701的數(shù)據(jù)總線和地址總線需要同時(shí)與EPLD和三片AD9852相連接，為了提高總線的驅(qū)動(dòng)能力，DSP輸出的總線需要通過TI公司的SN74LVTH162245芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后才能與這些異步接口的器件相連接。但是，這樣直接加上驅(qū)動(dòng)的數(shù)字總線和地址部被三片AD9852分時(shí)復(fù)位會(huì)帶來另一個(gè)潛在的問題，即復(fù)用的總線給多片AD9852之間提供了一個(gè)互相耦合電氣通道，使它們的模擬輸出信號(hào)之間的隔離度可能達(dá)不到60dB的系統(tǒng)指標(biāo)要求，故需要進(jìn)一步改進(jìn)。本系統(tǒng)采用的方法是使被復(fù)用的TMS320C6701總線上的每一路信號(hào)首先驅(qū)動(dòng)SN74LVTH162245上的四個(gè)輸入端，這樣就可以從它的輸出端得到四個(gè)被相互隔離的四路相同信號(hào)，然后再各自加端接匹配電阻，對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行匹配后再接到各自的終端。這樣不僅解決了信號(hào)隔離問題，還很好地解決了一路信號(hào)線因驅(qū)動(dòng)多路終端所引起的傳輸阻抗不匹配的問題。

4、 AD9852的操作控制時(shí)序

（1）給系統(tǒng)上電，DSP控制EPLD產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)RESET，此信號(hào)需要至少保持10個(gè)參考時(shí)鐘周期的高電平；

（2）依次給每個(gè)AD9852發(fā)送控制字，使每個(gè)AD9852工作狀態(tài)由缺省的內(nèi)部更新時(shí)鐘模式改變成外部時(shí)鐘更新模式；

（3）將AD9852時(shí)鐘倍頻器工作的控制字依次寫入每個(gè)AD9852的I/O緩沖寄存器中，EPLD產(chǎn)生外部更新時(shí)鐘的同時(shí)更新每個(gè)AD9852內(nèi)部控制寄存器；

（4）至少等待1.0ms時(shí)間使AD9852內(nèi)部鎖相環(huán)鎖定。內(nèi)部鎖相環(huán)鎖定后，DSP就可以發(fā)送有關(guān)信號(hào)波形參數(shù)給每片AD9852，對(duì)它們的內(nèi)部控制寄存器內(nèi)容進(jìn)行同步更新，使三片AD9852輸出同步的模擬信號(hào)。

采用DSP控制DDS的方法完成的雷達(dá)信號(hào)模擬器已經(jīng)得到了應(yīng)用，結(jié)果證該模擬器輸出的三路信號(hào)波形同步，具有很高的距離和速度分辨率。另外，DDS技術(shù)具有的靈活可編程特性使得上述結(jié)構(gòu)的模擬器還可以有其它應(yīng)用，只要改變DSP控制程序，就可以根據(jù)需要產(chǎn)生三路同步的各種信號(hào)波形。

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