7.2__DDS(直接数字式频率合成器)电路

7.2 DDS电路设计实例
7.2.1 基于AD9834的50MHz DDS电路


AD9834是一个将相位累加器、正弦只读存储器（SIN ROM） 和一个10位D/A转换器集成在一个CMOS芯片上的、一个完 全集成的DDS（Direct Digital Synthesis）芯片，频率精确性 能被控制在0.25billion（十亿分之一），时钟频率为50MHz， 具有低抖动的时钟输出和正弦波输出/三角波输出，窄带 SFDR>72dB。控制字采用串行装载方式，通过串行接口装 载控制字到寄存器，可以实现相位和频率调制。 AD9834为用户提供了多种输出波形。利用SIN ROM将产生 一个正弦曲线输出。SIN ROM可以被旁路，可以直接从DAC 输出线性向上斜坡电压或者向下斜坡电压。另外，如果需要 时钟输出，可以将DAC 数据的MSB位作为时钟输出，或者利 用芯片上的比较器。


数字部分电源电压由在芯片上的一个稳压器提供，当 DVDD输入电压超过2.7V时，稳压器使芯片内部数字部 分电源电压下降到2.5V。 模拟和数字部分电源是独立的，并且可以由不同的电 源驱动，例如，在AVDD输入电压等于5V时，DVDD输 入电压可以等于3V。AD9834电源电压为2.3～5.5V， 在3V电源电压时仅消耗功率20mW。AD9834有一个低 功耗模式控制引脚端（SLEEP），可以利用外部控制器 控制芯片的低功耗模式。AD9834采用TSSOP20封装。



⑤ 稳压器（Regulator） 对于芯片内部的模拟电路和数字电路，AD9834提供独立的 电源。AVDD提供了模拟电路部分所需要的电源，而DVDD则 提供了数字电路部分所需要的电源。这两个电源的取值范围 均为2.3～5.5V，而且每个都是独立的，例如，模拟电路部 分能够工作在5V电压下，而同时数字电路部分工作在3V，或 者是其他值。 AD9834内部的数字电路部分通常工作在2.5V。在芯片上的 稳压器将在DVDD输入的电源电压降至2.5V。AD9834的数字 接口（串行端口）工作电压也来自DVDD。这些数字信号在 AD9834内进行调整，使它们与2.5V一致。 当AD9834的DVDD引脚的电源电压等于或小于2.7V时，引脚 端CAP/2.5V和DVDD将同时被约束，从而将芯片上的稳压器 旁路。
图7.2.3 ADSP-2101/ADSP-2103与AD9834之间的串行接口
图7.2.4 AD9834的典型应用电路
7.2.2 基于AD9852的300MHz DDS电路


AD9852是一种高集成度的、采用先进的DDS技术的数 字频率合成器芯片，芯片内部包括一个带48位相位累 加器的NCO、可编程的基准时钟倍频器、反向sinc滤波 器、数字倍频器、两个12位/300MHz DACs、高速模拟 比较器和接口逻辑电路。若接上一个精密的时钟源， AD9852可以产生一个非常稳定的、频率和相位振幅可 编程的余弦输出，可以在通信、雷达等应用中做本机 振荡器。 AD9852创新的高速DDS核可提供48bit的频率分辨率 （300MHz系统时钟，1MHz的调谐分辨率）。AD9852 电路可产生150MHz的输出信号，能以1×108/s频率的 速率进行数位调谐。余弦波（外部滤波）输出可以通 过内部比较器而转换为方波，作为灵活的时钟发生器 使用。
器，这两个寄存器的分辨率为2/4096。

② SIN ROM 为了使NCO的输出有用，就必须由相位信息转换为正 弦曲线值。因为是将相位信息直接转换成振幅，SIN ROM将数字相位信息当做查表地址使用，并将相位信 息直接转换成振幅。虽然NCO包含一个28位相位累加 器，NCO输出被缩减为12位。使用完全的相位累加器 分辨率是不切实际的，因为这需要228次查表，并且也 是不必要的。实际上只需要足够的相位分辨率，以保 证误差小于10位DAC的分辨率即可。即要求SIN ROM 必须有大于10位DAC分辨率两位的相位分辨率。使用 控制寄存器的MODE控制位和POBITEN控制位控制SIN ROM使能。

④ 比较器（Comparator） 比较器将DAC的正弦曲线信号转换成方波信号，产生 合成的数字时钟信号。DAC输出在作为比较器的输入 之前，应在比较器的外部进行滤波。比较器的基准电 压是所加的VIN信号的时间平均值。比较器的输入采用 AC耦合，可以接收1V（VPP）的信号。比较器的输出 是一个方波。控制寄存器内的SIGNPIB控制位和 POBITEN控制位设置为“1”时，使能比较器。
Hale Waihona Puke ⑥ 控制寄存器 AD9834包含一个16bit（位）的控制寄存器，用来将 AD9834设置为用户所希望的工作状态。 ⑦ 串行接口 AD9834有一个标准的3线串行接口，并与SPI，QSPI， MICROWRE和DSP接口标准兼容，它允许AD9834器件 直接与微控制器连接。芯片使用一个外部串行时钟将 数据/控制信息写入芯片。串行时钟频率的最大值为 40MHz。串行时钟可以是连续的，或者在写操作中闲 置为高或低。当数据/控制信息被写入AD9834时，引 脚端FSYNC被设置为低电平，并且一直保持为低电平， 直到数据的16个位完全被写入AD9834。


芯片内部提供了两个14位相位寄存器，并为BPSK操作 提供了一个单独控制引脚端。对于更高要求的PSK操作， 用户可以使用I/O接口进行相位编程。12位的余弦DAC， 结合了更新的DDS结构，提供极好的宽带或者窄带输 出SFDR。12位的数字倍频器允许可编程振幅调制，余 弦DAC输出精确的振幅。 AD9852内部有一个可编程的（4～20）×RFECLK倍频 器，可以通过一个较低频率的外部基准时钟产生 300MHz的内部时钟。外部的300MHz时钟可以由单端 或差分输入形式提供。
f P f M C LK / 2
（2）AD9834的内部结构


AD9834的内部结构如图7.2.2所示，包括以下主要部分： NCO（Numerical Controlled Oscillator，数控振荡器），频 率和相位调制器，正弦波（SIN）ROM，DAC，比较器和稳 压器。 ① NCO脉冲相位调制器 这个部分由两个频率选择寄存器，一个相位累加器 （28bit），两个相位偏移量寄存器和一个相位偏移量加法 器（MUX）组成。NCO的主要元件是一个28位（bit）相位 累加器。连续时间信号0～2的相位范围，对于一个正弦曲 线函数是周期性重复变化的。累加器只是测量相位数的范 围，并送出一个多位数字字。在AD9834内的相位累加器是 一个28位累加器，因此，对于2=228。


③ DAC（Digital-to-Analog Converter 数/模转换器） AD9834芯片内部有一个高阻抗电流源的10位DAC，有 能力驱动一个较宽范围的负载。满量程输出电流可以 通过使用外接的一个电阻（RSET）来调整，以满足电 源和外接负载需求。 DAC能够被设置为单端或差分工作模式。IOUT和 IOUTB输出端可以通过等值外接电阻与AGND相连，以 改善补偿输出电压。只要满量程电压不超出正常工作 范围，负载电阻可以根据需要确定数值。因为满量程 电流由RSET控制，所以调节RSET可以补偿负载电阻的 改变。


在1GHz的内部时钟速率的驱动下，AD9858能直接产 生频率为400MHz的正弦波。利用芯片上的混频器和 PFD/CP，可以使AD9858构成频率在1～2GHz范围内甚 至更高的频率合成器。 对于一个DDS系统来说，AD9858采用操作灵活性大的 模拟频率合成技术（PLL，混频），可以产生高频率分 辨率的精密频率信号，并具有快速频率跳变、快速稳 定时间和自动频率扫描等功能。


AD9852的控制接口简单，可以采用100MHz的串行2线 式或3线式SPI兼容接口或100MHz并行8bit编程接口。 AD9852使用独立的电源，具有多级低功耗控制功能。 AD9852采用LQFP 80封装。 AD9852适用于灵活的LO（本机振荡器）频率合成系统、 可编程时钟发生器，并可作为雷达和扫描系统的FM线 性调频脉冲，还可用于设备的检验和测量，以及商业 或业余的RF发射器。
图7.2.2 AD9834的内部结构


相位累加器的输入可以通过FREQ0寄存器或FREQ1寄 存器来选择，并且被FSELECT引脚端或FSEL位控制。 NCO本身产生连续相位信号，因此消除了频率间切换 时所产生的输出中断。 在NCO之后利用一个12位相位寄存器，增加一个相位 偏移量，用来完成相位调制。AD9834有两个相位寄存
7.2.3 基于AD9858的2GHz DDS电路

AD9858是一个直接数字合成器（DDS），采用了先进的 DDS技术，芯片内部有一个高速的、高性能10bit（位） 数/模转换器（DAC），能够形成一个数位可编程的、完 整的高频合成器DDS系统、可产生频率为400MHz的模拟 正弦波。AD9858可提供快速频率跳变和高精度分辨率 （32位频率控制字）。频率调谐和控制字经由8位（8bit） 并行口或串行口输入AD9858。AD9858 包含一个集成的 充电泵（CP）和相频检波器（PFD）用来满足组合应用 的需要，可以组成一个带锁相环功能的高速DDS。芯片 上还提供了一个模拟混频器，可以满足一个包括DDS、 PLL和混频器组合应用的需要，例如频率转换电路、调 谐电路等。AD9858在时钟输入电路有一个分频器，它允 许输入的外部时钟频率高达2GHz。在工业应用中， AD9858工作的最大温度范围为40℃～+80℃。AD9858 采用EPAD-100封装。
1．AD9834工作原理及内部结构

（1）工作原理 正弦波的幅度和相位如图7.2.1所示。正弦波波形通常 可用其被量化了的幅值形式a(t)=sin(t)表示，它们是 非线性的，而角信息是线性的。也就是说，相位角在 每个单位时间内以某一固定角度旋转。角速度取决于 信号的频率，通常=2f。
图7.2.1 正弦波的幅度和相位