直接頻率合成 - AD9852芯片在原子頻標(biāo)中的應(yīng)用

　　AD9852主要由參考頻率源、相位累加器、波形存儲(chǔ)器(正弦函數(shù)功能表)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成。參考頻率源為DDS提供工作時(shí)鐘頻率，DDS輸出的合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度在不考慮內(nèi)部諸如附加相位噪聲等環(huán)節(jié)的影響時(shí)，和參考頻率源是一樣的。

　　在頻率變換器件中，100Hz和1kHz處的相噪是比較關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)用DDS做成的綜合器而言，它取決于DDS輸出信號(hào)的相噪、濾波環(huán)路的性能以及放大電路的附加相噪等，其后兩項(xiàng)是根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波及放大電路決定的，對(duì)于第一項(xiàng)則取決于實(shí)際采用的芯片種類。圖2為一款DDS的輸出相噪圖。

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　　圖2 DDS相噪對(duì)比圖

　　由圖2可見(jiàn)，采用內(nèi)部倍頻的方式在偏離1kHz、輸出5MHz時(shí)相噪為﹣140dBc/Hz;若直接采用300MHz的時(shí)鐘時(shí)，相噪的性能在偏離1kHz時(shí)為﹣142dBc/Hz。因此，為了提高DDS輸出信號(hào)的相噪性能，采用外部倍頻法是一個(gè)比較好的選擇，即把輸入時(shí)鐘信號(hào)在外部進(jìn)行N倍頻后加到DDS上。

　　DDS在使用時(shí)，要通過(guò)微處理器或CPLD對(duì)其信號(hào)、數(shù)據(jù)進(jìn)行管理控制來(lái)實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用中所需要的若干功能，圖3為我們選用的一款DDS芯片外圍電路示意圖。

　　其中，MCLK引腳接外部時(shí)鐘源，使DDS的IOUT引腳輸出端頻率信號(hào)的穩(wěn)定度與外部時(shí)鐘源一致。對(duì)于內(nèi)部沒(méi)有PLL倍頻環(huán)節(jié)的DDS芯片，通常MCLK端輸入時(shí)鐘源的頻率應(yīng)高于IOUT端輸出信號(hào)頻率的4倍。如輸出信號(hào)頻率為5.3125MHz，那么MCLK時(shí)鐘端的信號(hào)頻率應(yīng)該大于20MHz，以期望得到更好的相位噪聲，通過(guò)外部濾波電路后，可得到比較純凈的信號(hào)譜。FSELECT為鍵控調(diào)頻信號(hào)輸入端，也就是我們的調(diào)制方波79Hz信號(hào)輸入端，我們使用的DDS內(nèi)部有兩個(gè)頻率控制寄存器，通過(guò)編程的方式將預(yù)先設(shè)置好的頻率值F0、F1保存在寄存器中，當(dāng)FSELECT端有有方波信號(hào)輸入時(shí)(即電平上升沿或下降沿轉(zhuǎn)換)，DDS的IOUT端將會(huì)隨之分別從頻率控制寄存器中讀出F1或F0的值作為輸出，并且會(huì)保障頻率信號(hào)在切換時(shí)相位無(wú)變化。PSEL1、PSEL0為兩路信號(hào)頻率F1、F0的相位調(diào)節(jié)端，在應(yīng)用中，如果需要保持F1、F0在切換時(shí)的相位連續(xù)，需要在設(shè)計(jì)中直接將PSEL1、PSEL0接地。DDS與外界通訊的時(shí)序是通過(guò)引腳FSYNC、SCLK、SDATA來(lái)完成的，其串行通訊的時(shí)序如圖4所示。

　　當(dāng)FSYNC為高電平時(shí)，SCLK、SDATA引腳為高阻狀態(tài)。當(dāng)FSYNC為低電平時(shí)，DDS將處于通訊狀態(tài)。此時(shí)引腳SCLK有一下降沿的脈沖時(shí)，將使掛在數(shù)據(jù)總線SDATA上的DATA寫(xiě)入DDS數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，直至最終一個(gè)DATA寫(xiě)入時(shí)，DDS將根據(jù)引腳FSELECT上的狀態(tài)選擇F1或F0作為IOUT端的輸出。

　　信號(hào)的產(chǎn)生

　　本文選用的DDS芯片內(nèi)部有2個(gè)32位頻率控制寄存器(F0、F1)，對(duì)照?qǐng)D4的串行通訊時(shí)序，在SDATA端實(shí)際需要通信的DATA位就是32位。假設(shè)MCLK外部輸入時(shí)鐘頻率為20MHz，DDS的最小的頻率分辨率為：

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　　IOUT輸出20MHz時(shí)(實(shí)際上是不可能的，或是輸出的信號(hào)譜將非常差)，對(duì)應(yīng)的32位頻率控制寄存器的值全為1;輸出5.3125MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)值為(5.3125MHz/20MHz)×232，將所得到的十進(jìn)制值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制對(duì)應(yīng)32位頻率控制寄存器的值。根據(jù)圖4的串行時(shí)序，通過(guò)微處理器將相應(yīng)的32位值寫(xiě)入DDS緩沖區(qū)后，在IOUT引腳端將會(huì)產(chǎn)生5.3125MHz正弦波頻率信號(hào)的輸出。其峰峰值在50歐姆負(fù)載的情況下為1V左右，具體的峰谷、峰尖的電平可以通過(guò)引腳FSADJUST端的外接電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　在具體的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)輸出的5.3125MHz正弦波信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)濾波、整形、放大等處理后才能引入到其它電路環(huán)節(jié)中。在設(shè)計(jì)時(shí)，為得到比較純凈的信號(hào)譜，在IOUT端輸出后通?？紤]接一帶通濾波器或低通濾波器。

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　　圖3 DDS外圍電路原理圖

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　　圖4 DDS串行通訊時(shí)序示意圖