ISA总线实现多路同步DDS信号源设计 - 全文

　   直接数字式频率合成器以其极高的频率分辨率、极短的频率转换时间、相位精确可调、设备结构简单、易集成、体积小及成本低等优点，在高分辨雷达系统、宽带扩频通信系统以及现代测控系统中得到广泛的应用。为了便于信息的采集、处理和操作控制，常常要求信号源基于PC机平台设计。PC机内部有两种常用的总线，即PCI总线和ISA总线。ISA总线接口关系简单.操作控制方便，能够满足系统要求，是比较理想的DDS与计算机的接口总线。随着电子系统复杂性的不断增加，单路DDS已经不能够满足系统需求，多路DDS系统的设计开始成为研究的热点。

　　1 系统工作原理

　　图1是某自动测试系统的工作原理框图。图中的高稳定度频率基准为整个系统提供频率为50MHz的参考时钟。系统的控制命令由计算机发出，经过ISA总线传输，送到FPGA进行缓存、译码，同步控制三路DDS产生需要的信号。其中，DDS1的输出信号为初始相位可变，脉冲宽度、脉冲周期、脉冲个数等由计算机编程设定的射频脉冲序列。脉冲的载波频率在fT=2lMHz附近可调。该射频脉冲经过功率放大、低通滤波后，在高频开关的控制下发射出去。接收到的反射回波由高频开关选通，与DDS2产生的20MHz第一本振fLO1混频，得到频率为1MHz的中频脉冲调制正弦信号。该中频信号再分成两路，分别与DDS3输出的频率为1MHz二本振fLO2的1支路和Q支路两路脉冲调制正交信号进行相位检波，得到的信号经低通滤波、模数转换，送到计算机进行数据处理。为保证收发信号有效可靠地隔离，在发射波门和接收波门之间插入等待时间。各路信号之间的关系如图2所示。为简便起见，图中只画出了DDS3输出的I、Q两路信号中的一路，这不影响对信号控制时序的理解。

 

　　

 

　　为了便于信号处理，该系统对各路DDS输出信号的时间关系提出了严格的要求：(1)相位检波器的两路正交参考信号相位应严格控制在90°相差上，以保证正交检波器的性能。(2)其初始相位可以通过计算机控制调整。(3)DDS2的输出信号和DDS3的I支路输出信号必须同步，以保证在DDS3同相支路上的信号相位与中频信号的相位保持同步;同时Q路信号必须保持相位的正交。(4)每个射频脉冲周期，各路DDS输出信号的初始相位严格同步，保证回波信号的相参积累。

 2 多路同步设计

　　图3是该自动测试系统的数据采集、多路DDS同步单元的实现框图。经过相位检波、低通滤波的I、0两路信号输入到该单元电路中，经OP-07放大、AD976采集后，再经FPGA由ISA总线送入到计算机中。OP-07具有低偏移、高开环增益的特点，适合于高增益的测试系统应用。AD976是采样速率为200ksps的高速16位低功耗模数转换器。FPGA芯片采用Ahera公司的ACEX系列芯片EPlK50，实现ISA总线与三路DDS及数据采集的接口。其灵活的可重新配置特性为实现接口电路提供了极大的方便，片上集成有4OKbit的RAM，便于缓存计算机的控制信息。DDS芯片选择美国模拟器件公司的AD9854。它的相位累加器为48位，利用片上PLL可实现4~20倍的可编程倍频，内部最高时钟可达300blHz，尤为突出的优势在于具有100MHz的高速并行配置接口，内置最大相位误差小于1°的I、Q两路的DAC输出，便于产生lMHz的正交信号。对于该自动测试系统，各路DDS之间的同步关系是电路设计的核心问题。AD9854芯片本身没有同步信号，要实现各路的精确同步，必须对电路进行优化设计。为分析方便，分别从参考时钟、刷新时钟和内部锁相倍频三部分进行讨论。

　　

 

　　2.1 参考时钟

　　成功的同步设计要求各路DDS的参考时钟之间的相位差最小。参考时钟边沿的时间差会使各路DDS输出信号产生相应比例的相位差。参考时钟的边沿抖动要足够小，上升/下降时间要短，以免增加时钟信号的相位误差。数据采集与多路DDS单元电路首先把外部送来的50MHz高精度、高稳定度的正弦信号转换成方渡，送给各路DDS作参考时钟。时钟转换功能利用1：4的PECL时钟分配器SYl00EL15实现。ECL电路是现有各种实用数字逻辑集成电路中速度最快的一种，也是目前惟一能够提供亚毫微秒开关时间的实用数字逻辑电路。SYl00EL15最高可以工作在1.25GHz频率上，器件间的最大偏斜为200ps，单个器件的最大偏斜为50ps，时钟均方抖动仅为2.6ps，上升时间介于325ps和575ps之间。AD9854的参考时钟能够兼容PECL逻辑。射频信号在长线传输过程中，为了抑制由此产生的反射和串扰，SY100EL15的输出与AD9854参考时钟之问的PECL逻辑电路必须良好地匹配。图4的匹配方式是一种比较好的方案。图中：

　　

 

　　对于3.3V供电的LVPECL电路，R1取126Ω，R2取82.5Ω。AD9854的时钟输入电路有单端方式和差分方式两种，采用差分方式有利于抑制电路产生共模噪声。时钟分配网络布线时，要保证每一路差分时钟信号的走线等长，并且各路DDS时钟信号之间的走线也应当等长。电路板应该按照微带线设计。不同的微带线结构将导致信号传输常数有所差异。

　　

 

　　2.2 刷新时钟

　　AD9854芯片引脚中与配置内核密切相关的信号除了数据线、地址线、写信号以外，还有刷新时钟。写信号的作用是将I/O口上的数据传送到AD9854芯片内部的缓冲区中，而刷新时钟则用于配置AD9854内核的相应寄存器。刷新时钟引脚既可以作为输入信号，工作于外部刷新模式;又可以作为输出信号，工作于内部刷新模式。鉴于多路同步原因，通常工作于外部刷新模式。刷新信号的时序如图5所示。从AD9854内部看，刷新时钟UPDATE实际上是电平有效信号。在该信号出现于AD9854引脚后的第一个系统时钟上升沿，即A时刻，系统时钟识别到刷新时钟。在第三个系统时钟的上升沿，产生AD9854芯片DDS内核的内部刷新时钟。该信号与系统刷新时钟同步，作为将I/O口上的数据配置到AD9854内部配置寄存器的时钟信号。在第四个系统时钟的上升沿，完成对内部寄存器的配置。在第五个时钟的上升沿，产生内部刷新时钟信号的下降沿，配置过程结束。以图5为例，为使该过程工作可靠，应当保证三路DDS芯片的刷新时钟必须超前于相同的系统时钟，即时钟0，否则会导致各路DDS的输出相差一个AD9854的系统时钟。

　　2.3 锁相倍频

　　根据数模转换的数学模型，DDS输出信号的频率通常不得超过系统时钟频率的40%。以50MHz作为参考时钟产生频率为20MHz的信号会给滤波带来困难。AD9854内部集成了锁相倍频电路，可以将50MHz的参考时钟倍频至200MHz。片上锁相倍频电路带来的问题是环路建立时间会随着AD9854及片外环路滤波器的器件不同而产生差异。这将导致在锁相环路的建立过程中，送给AD9854相位累加器的系统时钟周期数目无法准确预测。因此在环路建立过程中，相位控制字的值必须为零以避免相位累加器的值不断累加。DDS芯片内部集成锁相环路的建立时间典型值约为400μs。为了保证各路DDS的同步，在起始10ms让AD9854输出的频率控制字和相位控制字始终为零。10ms以后，才启动AD9854的输出相位累加过程。待PLL建立起来以后，再改变各路DDS芯片相应的控制字。

　　计算机的主控软件用VB语言编写，系统FPGA软件用VHDL语言编写。FPGA内部设计了一个基于FIFO技术的缓冲区，将主控计算机发送过来的各类控制命令暂存。为了简化控制时序，采用的方法是利用ISA总线的数据线依次传输各路AD9854的配置数据和寄存器地址，并且暂时存放在缓冲区中;而后利用ISA总线的写信号作为各路AD9854的刷新时钟信号，完成对DDS芯片的同步配置。

3 测试结果

　　ISA总线信号源采用四层印刷电路板设计。布线时，采取电源退耦滤波、合理分割内电层、隔离数字地和模拟地等措施，有效地克服了计算机内部复杂的电磁干扰环境，得到了较好的测试结果。结果表明，信号在20MHz处的相位噪声优于一100dBc@lkHz，在O～0.5fs范围内的杂散抑制优于-55dBc。以DDS的尉新信号作为同步参考信号，三路DDS(包括DDS3的I/Q两路)，从刷新时钟上升沿到DDS有信号输出，时间间隔均为305ns，能够实现精确的同步。

　　本文对基于计算机的DDS技术做了尝试。在没有增加屏蔽结构的条件下。频率合成器的相位噪声和杂散指标都满足系统要求，针对AD9854，通过精心设计，实现了多路DDS的同步和IQ正交输出。