ISA总线实现多路同步DDS信号源设计

2011-09-16 13:04:23来源: 互联网
    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 href="http://www.chinaaet.com/search/?q=FPGA">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。

自动测试系统原理框图

 

  

 

  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。

  

数据采集、多路DDS同步单元实现框图

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。

关键字:信号源  DDS  ISA  EPlK50

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0916/article_2493.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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