基于AD9898的UHF波段频率合成器设计

     摘要：介绍了DDS+PLL系统的信号产生原理，给出了采用直接数字频率合成器AD9898来激励AD4113锁相环模块等高集成度芯片，进而设计UHF波段频率合成系统的硬件实现原理和主要电路设计方法。该UHF波段频率合成系统的频带为l～2GHz，主要应用于穿墙雷达系统。

　　0 引言

　　穿墙雷达是一种能够穿透非金属墙壁，并对墙壁后面人员或物体进行探测、追踪和定位的雷达系统，一般采用超带宽步进体制。本实验室搭建的穿墙雷达系统需要一个l～2 GHz频带的信号源。根据系统带宽以及杂散、相位噪声等系统参数要求，笔者采用DDS+PLL混合频率合成技术，并充分利用AD9858等高集成化芯片，设计了一种可满足系统信号源输出要求的频率合成器。

　　1 系统原理与结构

　　DDS+PLL频率合成器的基本原理是用一个低频、高分辨率的DDS频率来激励或者插入PLL，然后将两者的优势结合起来产生高品质的信号源。

　　本文采用DDS激励PLL的方案来满足系统要求。本系统采用高稳定的频率源作为系统参考时钟；并在单片机的控制下把频率控制字和相位控制字写到DDS内部寄存器，然后由DDS产生一个频率和相位都可以编程控制的模拟正弦波输出，并把DDS的输出作为PLL的参考信号，根据穿墙雷达系统要求的信号频率来设定分频器的分频比N，从而得到系统输出信号。此类方案实现的信号源具有较高的频率和较快的频率转换速度，而AD9858等集成芯片的高性能则使系统在杂散和噪声方面也能达到要求。

　　2 电路设计

　　本系统的电路设计主要分为DDS模块和PLL模块两大部分，其系统框图如图l所示。

　　2．1 DDS模块电路设计

　　本系统由DDS来保障较高的频率分辨率和良好的参考源性能，而由PLL提高频率输出并滤除DDS输出杂散，跳频方式则通过对DDS和PLL的控制来实现。

　　AD9858的外接1 GHz时钟点频源可使用ADF4360_2生成，并可使用ADIsimPLL仿真，其基本电路原理图如图2所示。ADF4360_2的参考时钟使用100MHz有源晶振，实际电路设计时需加入滤波后再接到Ref端口。输出频率为2 GHz，可以设置为2分频输出，也可以在AD9858芯片内部设置为2分频输入。

　　控制AD9858主要使用C8051F020的特殊功能寄存器SFR、FIASH和外部存储器接口EMIF。其中SFR提供对CIP-51的资源和外设的控制以及CIP -51与这些资源和外设之间的数据交换；FLASH是C8052F020的内部存储器，可通过JTAG接口对其编程；外部存储器接口EMIF则御用访问片外存储器。配置EMIF的流程如下：

　　(1)将EMIF选到低端口(P3，P2，Pl，P0)或高端口(P7，P6，P5，P4)；

　　(2)选择复用或非复用方式；

　　(3)选择存储器模式(只用片内，只用片外；不带块选择分片、带块选择分片等)；

　　(4)设置与片外存储器的时序；

　　(5)选择相关端口的输出方式(寄存器PnMDOUT和P740UT)。

　　2．2 AD9858的基本原理和性能

　　DDS是基于查找表的数字频率发生器。DDS器件工作时，其频率控制字K在每一个时钟周期内，其余相位累加器累加，而得到的相位值

　　(O～2π)在每一个时钟周期内则以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，并将相位信息转变成相应的数字化正弦幅度值，ROM输出的数字化波形经数模转换器(DAC)后，用于实现数字化信号到模拟信号的转变，，DAC输出的阶梯序列波再通过低通滤波器(LPF)平滑后，就可得到一个纯净的正弦信号。

　　AD9858的10位数模转换器可以工作到lGsps，并能够产生高达450MHz的频率阶变模拟输出正弦波，同时具有快速调频和细微的频率分辨率(32位频率分辨率)。AD9858内部有集成的电荷泵(CP)和相位检测器(PFD)，可以将高速DDS和锁相环(PLL结合使用)在片内模拟混频，也可以使DDS、PLL和混频器结合使用。

　　AD9858有单音和扫频两种工作模式。在单音模式下。AD9858可产生由内部寄存器FTW控制的单频输出信号。输出频率与系统时钟的关系可由如下公式确定：

　　对于AD9858，N=32。可见其频率可以通过改变FTW任意改变，也可以通过外部引脚来选择提前设定在4个存储在寄存器上的频率值来实现快速跳频。

　　而在扫频模式下，用户需要通过频率控制字(FTW)、频率转换控制字(DFTW)、频率斜率控制字(DFRRW)来设定频率的扫频初始值、频率步进值和频率步进时间，从而实现扫频。

　　在设计DDS时需要仔细考虑输入和输出的频段：当输出频率靠近fc／n(其中n=3，4，5，6，7；fc为DDS的时钟频率)时，差频信号产生的杂散离输出频率很近，以至于无法使用滤波器器滤除，这种窄带杂散经过倍频还会继续恶化，严重恶化杂散性能，所以，设计时不能使用DDS输出频段靠近和跨越fc／n的频点(其中n=3，4，5，6，7)。本系统中DDS的输入频率为1GHz。因此输出频段为50～100 MHz。这样，输出频道附近就不会出现大的杂散。

　　2．3 PLL模块设计

　　PLL模块包括ADF4113和输出带宽为1～2 GHz压控振荡器。ADF4113的内部结构如图3所示，它由低噪声数字鉴相器、高电荷泵、可编程参考分频器(R分频器)、可编程A，B计数器以及双模分频器P／P+1组成。其中6位A计数器、13位B计数器与双模分频器共同组成了N分频器，分频比为N=BP+A。数字鉴相器用来对R计数器和N计数器的输出相位进行比较，然后输出一个与二者相位误差成正比的误差电压。该电压经外部滤波器滤波后可控制外接VCO，从而构成一个完整的频率合成器。其输出频率为：

　　其中，fREFIN为参考频率。

　　环路滤波器是锁相环电路中很重要的一个部分，它的性能好坏直接关系到锁相输出的相位噪声和杂散指标。设计时仍然可使用AD公司提供的PLL仿真软件ADLsimPLL来生成。其各项参数设置为：输出频率为1～2 GHz。鉴相频率为5 MHz，使用有源滤波，放大器输出电压范围为-15～+15V。该设置可以满足后级电路VCO的控制要求。其环路滤波器仿真电路如图4所示。

　　压控振荡器芯片可根据系统带宽等要求选用Z-com公司的V585MFA8，该器件的主要技术指标如表1所列。

　　注意到VCO的工作电压为10 V。由于本实验电路使用了实验室的直流稳压源OFl722M-2。该电源可以提供0～36V的连续电压。如果使用芯片供电，整个电路需提供3．3 V、5 V、10 V、12 V等4个电压值，故可使用线性电压元件来实现，但要注意电源布局及走线。

　　2．4 带通滤波器设计

　　带通滤波器的设计方案直接影响到输出信号的质量。DDS输出信号中含有丰富的高频成份，考虑到电路规模和系统要求，本文采用常用的椭圆滤波方案，并使用三阶滤波器滤除杂散。同时使用ADS滤波器辅助设计，其具体电路如图5所示。其中，L1和L4为41 nH；Cl和C4为137 pF；L2选52 nH；L3选54 nH；C2选108 pF；C3选103 pF。

　　3 印刷版设计

　　本设计的印制板可分为两个电路板设计，即把DDS部分与锁相环部分做成一块，而把电源和参考时钟做成另一块。两块电路板采用绝缘子穿孔相连。这样可以有效降低电源部分对DDS与锁相部分的干扰。印刷板都需要大面积铺地，所有的旁路电路均应尽量靠近器件，所有的信号线尽可能的短，而且不能有90度转角。

　　4 结束语

　　本文采用AD9858和AD4360_2等高性能芯片来实现1～2GHz符合穿墙雷达系统的信号源系统设计，同时在电路布局等方面都进行了良好的设计，因而使输出信号在杂波抑制和相位噪声方面都有良好的特性。完全可以满足穿墙雷达实验系统信号源部分的设计要求。

  

参考文献:

[1]. AD9898 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9898_251841.html.
[2]. AD9858 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9858_251740.html.
[3]. C8051F020 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F020_209830.html.
[4]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[5]. ADF4113 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADF4113_123490.html.