高性能双通道DDS芯片AD9958及其应用

摘要：AD9958是美国AD公司采用先进的DDS技术生产的高性能频率合成器，它能产生双通道250 MHz的模拟正弦波。现介绍了AD9958的基本特点和引脚功能，分析了其内部结构和工作原理，给出了AD9958在PLL及数字调制系统中的应用方案。
关键词：AD9958；串口模式；数字调制；PLL

0 引言
    AD9958是Analog Devices公司生产的一款高性能、动态特性优异、可双路输出的DDS器件，每路可单独控制频率，相位／幅度。这种灵活性可用于校正信号之间由滤波、放大等模拟处理或PCB布局失配而引起的不平衡问题。由于两个通道共享一个公共系统时钟，因此它们具有固有的同步性，可支持多个设备的同步。AD9958内部集成了10 bit的输出幅度控制，内部工作频率高达500 MHz，使其可产生最高频率为250MHz的双路信号。其内部有许多用于控制输出信号参数的控制寄存器，具有32位频率调整分辨率、14位相位失调分辨率、10位输出幅度可缩放分辨率，有增强数据吞吐率的串行SPI口。可工作于多种模式，支持单频信号模式(single-tone)、调制模式(modulation mode)、线性扫频模式(linearsweep)以及混合信号模式。可以执行高达16阶的频率、相位或幅度调制(FSK、PSK、ASK)。

1 AD9958的结构
    AD9958的串行I／O端口可支持多种配置，提供了极大的灵活性。与ADI公司以往DDS产品中提供的SPI工作模式类似，串行I／O端口提供SPI兼容工作模式。四个数据引脚(SDIO_0／SDIO_1／SDIO_2／SDIO_3)对应串行I／O的四种可编程模式，从而提供了高灵活性。AD9958采用高级DDS技术，可在低功耗下提供高性能。这款器件集成了两个具有卓越宽带和窄带SFDR性能的高速10bitDAC。每个通道均具有专用的32bit频率调谐字、14bit相位偏移和10bit输出比例乘法器。DAC输出以电源电压为参考源，必须经由电阻或AVDD中心抽头变压器连接到AVDD。每个DAC均具有各自的可编程基准源，用于实现每个通道不同的满量程电流。当使用REF_CLK作为输入，并由DAC提供输出时，这款DDS可用作高分辨率分频器。两个通道共用REF_CLK输入源，REF_CLK输入源可被直接驱动，或与高达最大值500MSPS的内置REF_CLK乘法器(PLL)配合使用。   PLL倍增因数的可编程范围为4～20，步进为整数。REF_CLK输入还具有振荡电路，可将外部晶振用作REF_CLK源，晶振的频率必须在20 MHz与30 MHz之间，晶振可与REF_CLK乘法器配合使用。
    AD9958采用节省空间的56引脚LFCSP封装。DDS内核(AVDD和DVDD引脚)采用1．8 V电源供电。数字I／O接口(sPI)在3．3 V电压下工作，并需要将DVDD_I／O引脚(引脚49)连接至3．3 V电压。AD9958可在-40℃～+85℃的工业温度范围内工作。

    AD9958的内部结构如图1所示，主要特性如下：
    *两个500 MSPS同步DDS通道
    *所有通道之间独立的频率／相位／幅度控制
    *频率、相位和幅度变化时的延时匹配
    *卓越的通道间隔离
    *线性频率／相位／幅度扫描功能
    *高达16阶频率／相位／幅度调制(引脚选择)
    *内置两个10 bit数模转换器(DAC)
    其主要应用在以下几方面：
    *捷变本振(ALO)频率合成
    *相控阵雷达／声纳
    *仪器仪表
    *同步时钟
    *用于AOTF(声光可调滤波器)的RF源
    *单边带抑制载波
    *正交通信

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2 引脚说明
    AD9958采用56脚LFCSP封装，其引脚图如图2所示，其主要引脚功能如下：

    SYNC_IN：同步多片AD9958的输入信号，使用时与主器件AD9958的SYNC_OUT相连；
    SYNC_OUT：同步多片AD9958的输出信号，使用时与从器件AD9958的SYNC_IN相连；
    MASTER_RESET：复位引脚，高电平有效；
    PWR_DWN_CTL：电源掉电控制引脚；
    CH0_IOUT、CH1_IOUT：通道0、1输出端，无需上拉电阻，输出范围可达AVDD；
    CH0_IOUT、CH1_IOUT：通道0、1互补输出端，无需上拉电阻，输出范围可达AVDD；
    DAC_RSET：DAC复位端，为DAC创建参考电流，通过一个1．91 kΩ的电阻接至AGND端；
    REF_CLK、REF_CLK：参考时钟或晶振输入端；
    CLK_MODE_SEL：振荡器模式控制引脚，为1时使能振荡器为REF_CLK源，为0时不使能；
    LOOP_FILTER：与锁相环环路滤波器的零点补偿电路连接，此引脚与AVDD间串接一个0 Ω电阻和680pF电容。
    P0，P1，P2，P3：调制数据引脚；
    I／O_UPDATE：I／O口更新寄存器控制端，此引脚上升沿数据从串口缓冲器送入寄存器。
    ：片选端，低电平有效，允许多芯片共用SPI总线；
    SCLK：I／O口读写时的串行数据时钟输入端，上升沿写操作，下降沿读操作；
    SDIO_0：专用串行I／O口引脚；
    SDIO_1，SDIO_2，SDIO_3：用作串行I／O口引脚或初始化DAC输出幅度增减量控制引脚；
    SYNC_CLK：同步时钟输出引脚，为系统时钟的4分频。

3 AD9958串口特点及工作模式
    AD9958的串口提高了多种配置，其SPI模式与早期的DDS产品的操作模式兼容。4个串行数据引脚(SDIO_0，SDIO_1，SDIO_2，SDIO_3)具有很高的灵活性，可提供4种可编程的串口操作模式，1位串行2线模式、1位串行3线模式、2位串行模式、4位串行模式。表1为4种模式的引脚配置表。

    4个串行数据引脚中SDIO_1，SDIO_2，SDIO_3还可提供10位的输出振幅增减量。另外，SDIO_3还可用来提供SYNC_I／O功能，用以再同步串口控制器输出适当时序。AD9958的SCLK的最高频率是200 MHz，而4个串口数据引脚能进一步提高数据吞吐量，可达到800 Mbps。AD9958的串口操作是建立在寄存器级别上的，也就是说串口控制器能识别被访问的寄存器字节地址。在串行操作包括指令周期和通信周期，一般先传送指令周期，指令周期对应于SCLK的前8个上升沿，其对应的指令字(8比特)包含了以下信息：

    D7位为R／W位，用于确定指令字后的操作是读还是写，高电平为读，低电平为写；D6、D5位为无关位；D4～D0位对应于A4～A0，表示随后的通信周期被访问的寄存器地址。

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     图3为1位串行2线模式和2位串行模式的写时序图。

4 AD9958在PLL及调制系统中的应用
    AD9958具有良好的频率分辨率和快速、连续的变频能力，AD9958的单频信号模式(single-tone)可应用在PLL系统中，如图4所示，AD95 10作为相位比较器，与环路滤波器及压控振荡器以及AD9958和低通滤波器共同构成一种PLL系统，在PLL系统中AD9958使输出具有精确的频率。

    调制信号有较强的抗干扰作用，同时对相邻信道的信号干扰也较小。并具有解调方便且易于集成等优点，因此数字调制信号系统广泛应用于现代通信设备中。在数字调制中，由于受频率精确度、稳定度和范围等因素的制约，提高调制方式中的FM速度是难点，用高性能DDS芯片AD9958可以很好的解决这个问题。AD9958具有良好的频率分辨率和快速、连续的变频能力，其工作在调制模式(modulation mode)下，能实现高速数字调频，数字调制系统图如图5所示。系统中MCU可使用DSP或高速单片机如ADuC841等，MCU作为控制电路，向AD9958发送命令字，AD99 58产生所需频率的正弦或调制信号，经低通滤波器后输出。

5 结束语
    高性能可双路输出的DDS器件AD9958动态特性优异，每路可单独控制频率，相位／幅度，其串口通信有多种模式，内部工作频率高达500 MHz，可工作于多种模式，支持单频信号模式(single-tone)、调制模式(moolulation mode)、线性扫频模式(linearsweep)以及混合信号模式，具有很高的精确性和灵活性，可广泛应用于数字调制系统及混合信号系统的设计之中。