基于FPGA的AD9910控制設(shè)計(jì)

楊小勇，毛瑞娟，許林華

（國(guó)家無線電頻譜管理研究所 陜西 西安 710061）

隨著數(shù)字信號(hào)處理和集成電路的發(fā)展，要求數(shù)據(jù)處理速度越來越高，基于單片機(jī)+DDS（直接數(shù)字頻率合成）的頻率合成技術(shù)已不能滿足目前數(shù)據(jù)處理速度需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出了基于FPGA+DDS的控制設(shè)計(jì)，能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的功能。

1 AD9910的硬件電路設(shè)計(jì)

AD9910是ADI公司推出的一款單片DDS器件，內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)1 GHz，模擬輸出頻率高達(dá)400 MHz，14-bit的DAC，最小頻率分辨率為0.23 Hz，相位噪聲小于-125 dBc/Hz@1 kHz（400 MHz），窄帶無雜散動(dòng)態(tài)范圍大于80 dB，串行I/O控制，具有自動(dòng)線性和隨機(jī)的頻率、相位和幅度掃描功能，1 024 32位RAM，具有調(diào)幅、調(diào)相的功能，1.8 V和3.3 V供電，可實(shí)現(xiàn)多片同步。應(yīng)用在高靈敏度的頻率合成器、可編程信號(hào)發(fā)生器、雷達(dá)和掃描系統(tǒng)的FM調(diào)制源、測(cè)試與測(cè)量裝置以及高速跳頻系統(tǒng)[1]。

AD9910芯片的主要外圍電路為：參考信號(hào)源、控制、環(huán)路濾波器和輸出低通濾波器等電路。參考信號(hào)源為AD9910提供基準(zhǔn)頻率，參考信號(hào)輸入芯片后，內(nèi)部的倍頻器和鎖相環(huán)起作用產(chǎn)生1GSPS的系統(tǒng)時(shí)鐘；控制電路通過芯片的I/O給內(nèi)部寄存器寫入內(nèi)容，寄存器內(nèi)容不同，芯片工作狀態(tài)不同，控制芯片可以是單片、FPGA或DSP，本設(shè)計(jì)采用FPGA；AD9910提供專門的管腳外接環(huán)路濾波器，以優(yōu)化內(nèi)部PLL的性能，環(huán)路濾波器為簡(jiǎn)單的低通濾波器；AD9910輸出高達(dá)400 MHz的模擬信號(hào)，為了減少噪聲，在它的輸出端口設(shè)計(jì)了400 MHz的低通濾波器[2]。

圖1為實(shí)際設(shè)計(jì)的AD9910外圍連接圖[3]。

在AD9910的電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題[4-5]：

1）AD9910電源和地設(shè)計(jì)。AD9910需要4組電源，AVDD（1.8 V）、DVDD（1.8 V）、AVDD（3.3 V）和 DVDD（3.3 V），模擬電源和數(shù)字電源需要隔離，電源管腳的濾波最好采用鉭電容和陶瓷電容。在PCB設(shè)計(jì)中，數(shù)字地和模擬地分開，用磁珠單點(diǎn)連接，減少干擾。

2）AD9910環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)。當(dāng)外部的時(shí)鐘較低時(shí)，例如100 MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘1 GHz，芯片內(nèi)部的鎖相電路起作用，這時(shí)需要在外部設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器，如圖1中R17、C47和C48構(gòu)成的RC濾波器，電容電阻值用如下公式計(jì)算。

圖1 AD9910外圍電路圖Fig.1 Peripheral circuit of AD9910

其中:N為分頻比，KD為鑒相器的增益，KV是VCO的增益，fOL是環(huán)路帶寬。

3）晶振電路的設(shè)計(jì)。AD9910需要外部提供參考信號(hào)源，它的質(zhì)量直接決定了模擬輸出信號(hào)的質(zhì)量（頻率精度和相位噪聲），本設(shè)計(jì)采用高精度的溫補(bǔ)晶振，頻率100 MHz。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量靠近時(shí)鐘管腳。

2FPGA控制AD9910的軟件實(shí)現(xiàn)

采用Altera公司的EP1C6Q240C8控制AD9910，該器件的外部時(shí)鐘頻率為 50 MHz，20個(gè) 128?36 bit的 RAM塊，5 980個(gè)邏輯單元（LE），240個(gè)管腳，屬表貼器件。

FPGA與AD9910的外圍電路簡(jiǎn)單，無需外加任何驅(qū)動(dòng)電路，從而節(jié)省了硬件電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)間，F(xiàn)PGA與AD9910的連接框圖如圖2所示。

圖2 FPGA與AD9910的連接圖Fig.2 Connecting diagram of FPGA and AD9910

其中，SCLK用于輸出數(shù)據(jù)交換的控制時(shí)鐘，CS為片選信號(hào)，IO_RESET控制DDS的系統(tǒng)復(fù)位，SDIO是數(shù)據(jù)傳輸線，IO_UPDATE使能DDS內(nèi)部各寄存器數(shù)據(jù)更新，PROFILE用來選擇八個(gè)相位/頻率寄存器中的一個(gè)，OSK用來選擇DDS的輸出鍵控模式，MASTER_RESET用來清除所有存儲(chǔ)單元，并且把寄存器設(shè)為默認(rèn)值，PWRDWNCTL用來選擇是否使用外部使能控制，不使用時(shí)置為0，這里設(shè)置為0，PLL_LOCK用來指示鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)。另外，由于未采用多芯片數(shù)據(jù)通信，所以需將AD9910與同步信號(hào)相關(guān)的引腳懸空，例如7、8、9、10 和 53 引腳。

根據(jù)需要AD9910有4種工作模式可供選擇，分別是單音模式、RAM調(diào)制模式、Digital ramp modulation模式和并行數(shù)據(jù)端口調(diào)制模式。這里選用最基礎(chǔ)的signal-tone單音工作模式。

對(duì)AD9910的17個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置。這里使用了AD9910的評(píng)估軟件對(duì)寄存器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，只需要在評(píng)估軟件中輸入目標(biāo)參數(shù)，軟件將自動(dòng)給出寄存器中的值，這樣減小了工作量。根據(jù)需要，這里僅對(duì)其中的3個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置，分別是地址為0X01、0X02的控制寄存器和地址為0X0E的單音模式profile，而其他的寄存器均使用默認(rèn)值，因此無需設(shè)置。

FPGA對(duì)AD9910的軟件控制流程圖如圖3所示。

首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對(duì)FPGA的各控制信號(hào)進(jìn)行復(fù)位操作，使能CS信號(hào)。

圖3 FPGA的軟件控制流程圖Fig.3 Software controlling flow chart of FPGA

其次，對(duì)3個(gè)主要的寄存器進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置地址為0X01的寄存器CFR2，共32位，這里只需要使能第24位單音模式profile的幅度值，默認(rèn)值為0，這里設(shè)為 1，其余均使用默認(rèn)值，因此地址為0X01寄存器的內(nèi)容為0X01_40_08_20。

地址為0X02的寄存器CFR3主要用來設(shè)置PLL和VCO的參數(shù)。其中，第26位到第24位用來選擇PLL VCO參考時(shí)鐘的頻帶，這里選擇 820～1 150 MHz的 VCO5，因此為 101；第8位是PLL使能的選擇，默認(rèn)值為0，這里選擇使能1；第7位到第1位這7 bit數(shù)據(jù)是PLL倍頻器的倍頻系數(shù)，默認(rèn)值為0000000b，這里對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行40倍頻，因此，設(shè)置為0101000b。其余各位均使用默認(rèn)值。所以，地址為0X02寄存器的內(nèi)容為0X1D_3F_41_50。

對(duì)地址為0X0E的單音模式profile進(jìn)行設(shè)置，它是用來控制DDS的幅度、相位和頻率。其中第61位到第48位這14位用來設(shè)置幅度值，根據(jù)需要在評(píng)估軟件中輸入所需幅度值可以直接查看寄存器中相應(yīng)位的值，這里使用默認(rèn)值00_1000_1011_0101b；第47位到第32位這16位用來設(shè)置相位偏移量，這里仍舊使用默認(rèn)值0X0000；低32位是用來設(shè)置頻率控制字的值，頻率控制字 M=fout×2N/fc，其中，fout為輸出頻率，N為頻率控制字的位數(shù)，位數(shù)越大輸出頻率的分辨率越高，fc為系統(tǒng)時(shí)鐘1 GHz，這里輸出頻率為50 MHz，對(duì)應(yīng)的頻率控制字為214748365，因此對(duì)應(yīng)位的值設(shè)置為0X0CCC_CCCD。 地址為 0X0E寄存器的內(nèi)容為0X08B5_0000_0CCC_CCCD。

最后，結(jié)束IO_UPDATE的操作動(dòng)作，完成一次完整的設(shè)置過程。

對(duì)寄存器的讀寫操作是通過向輸入端口SDIO發(fā)送8位指令來實(shí)現(xiàn)的，這8位中，最高位為讀寫指令，1為讀操作，0為寫操作，低5位用來選擇在通信周期時(shí)選通哪個(gè)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，控制寄存器的內(nèi)容，如表1所示。

表1 控制寄存器的內(nèi)容Tab.1 Contents of control register

對(duì)AD9910讀寫操作時(shí)，需要注意AD9910的時(shí)序要求，對(duì)于串行I/O端口的各種控制信號(hào)之間的有4種基本的時(shí)序關(guān)系，分別是串口寫時(shí)序，時(shí)鐘在低電平停止；三線串口讀時(shí)序，時(shí)鐘在低電平停止；串口寫時(shí)序，時(shí)鐘在高電平停止；兩線串口讀時(shí)序，時(shí)鐘在高電平停止。這里采用第一種時(shí)序關(guān)系，時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 串口寫時(shí)序，時(shí)鐘在低電平停止Fig.4 Serial port write timing，clock stall low

在SCLK上升沿，寫入數(shù)據(jù)有效，F(xiàn)PGA控制SCLK信號(hào)的產(chǎn)生。具體寫入數(shù)據(jù)的程序代碼（使用Verilog HDL編寫）如下所示：

//send cfr2

if （m==j） begin sdio=cfr2[i－1];sclk=1'b0;j=j+10’d4;end

if （m==p） begin i=i－1’b1;sclk=1’b1;p=p+10’d4;end

m=m+1’b1;

if （i==7’d0） begin state=next_state;m=10’d0;j=10’d0;p=10’d2;end

該指令用于對(duì)地址為0X01的控制寄存器CFR2進(jìn)行寫操作。鑒于FPGA的高速處理能力，在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要注意一些特殊的時(shí)序要求，如以下幾個(gè)方面。

1）AD9910開始工作時(shí)必須先將其復(fù)位，復(fù)位時(shí)間保持1 000個(gè)系統(tǒng)工作周期。

2）如果系統(tǒng)工作需要多次使用I/O_UPDATE，要注意I/O_UPDATE引腳置1的時(shí)間控制，這關(guān)系到系統(tǒng)能否順利設(shè)置各個(gè)寄存器。

為了更好的說明FPGA對(duì)AD9910的控制，以下給出相關(guān)例程[6]：

always@ （posedge sclk_temp）begin

case （state）

s0: begin //DDS復(fù)位及初始化

io_update=1’b0;master_reset=1’b1;io_reset=1’b1;cs=1’b1;sdio=1’b0;sclk=1’b0;i=7’d0;j=10’d0;m=10’d0;p=10’d2;

osk=1’b0;profile=3’b000;state=s1;

end

s1:begin //保證復(fù)位時(shí)間

m=m+1’b1;

if（m==10’d100）begin

master_reset=1’b0;io_reset=1’b0;

state=s2; m=10'd0;

end

end

s2: begin //cs使能有效

cs=1’b0;

if（m==10’d2）

begin

state=s3;m=10’d0;i=7'd8;

end

else

m=m+1'b1;

end

s3: begin …… end //發(fā)送寫CFR2指令

s4: begin …… end //發(fā)送CFR2的內(nèi)容

s5: begin …… end //發(fā)送寫CFR3指令

s6: begin …… end //發(fā)送CFR3寄存器的內(nèi)容

s7: begin …… end //發(fā)送寫single tone profile0指令

s8: begin …… end //發(fā)送single tone profile0內(nèi)容

s9: begin //完成 io_update動(dòng)作

m=m+1’b1;

if（m==10’d3） io_update=1’b1;

if（m==10’d8） begin state=s10;m=10'd0;end

end

s10: begin io_update=1'b0;p=10'd0;end //結(jié)束DDS設(shè)置

endcase

end

例程中，將update信號(hào)設(shè)置為手動(dòng)，通過頻率控制single tone profile0寫入頻率控制字0X0CCC_CCCD，此數(shù)字轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為214748365，代入頻率控制字的公式，計(jì)算出頻率為50 MHz。使用示波器測(cè)量觀察，如圖5所示。

圖中，橫坐標(biāo)為時(shí)間t，單位為納秒（ns），縱坐標(biāo)為電壓幅度（A），單位為毫伏（mv）?？梢钥闯觯敵霾ㄐ蔚念l率為50 MHz，與初始設(shè)定值一致。由此可見，程序符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

圖5 示波器的輸出Fig.5 Output of oscillograph

FPGA對(duì)AD9910的控制是通過對(duì)其各個(gè)控制寄存器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的。隨著FPGA的廣泛應(yīng)用，以及更快的數(shù)據(jù)處理速度，基于FPGA+DDS的方案對(duì)于頻率源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有工程實(shí)踐意義[7]，而且還將在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

[1] Analog Devices Inc，AD9910 Datasheet[EB/OL].2008.Http://www.analog.com /static/imported-files/data-sheets/AD9910.pdf.

[2] 張瑾，張偉，張立寶等.Protel 99SE入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3] Analog Devices Inc，AD9910_PCBZ Datasheet[EB/OL].2008.Http://www.analog.com/static/imported- files/eval_board /AD9910_PCBZ.pdf.

[4] 王文理，王麗.DDS在數(shù)字頻率特性測(cè)試儀中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2007（1）：20-23.WANG Wen-li，WANG Li.Application of DDS in digital frequency characteristic testing instrument[J].Electronic Design Engineering， 2007，1:20-23.

[5] 郝迎吉，王長(zhǎng)乾，王榮剛.基于DDS三相數(shù)字信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2007（9）： 57-60.HAO Ying-ji， WANG Chang-qian， WANG Rong-gang.Research of three-phase digital signal source based on DDS[J].Electronic Design Engineering， 2007（9）:57-60.

[6] 劉福奇，劉波.Verilog HDL應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[7] 王家禮，孫璐.頻率合成技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009:124-136.