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基于FPGA控制AD9854产生正雷达信号源弦波

2018-05-18
类别:技术信息
eye 314
文章创建人 拍明

基于FPGA控制AD9854产生正弦波

用FPGA控制AD9854产生雷达信号源,这里主要向大家介绍如何在FPGA中利用verilog语言(硬件描述语言)控制AD9854产生正弦波。由于我们采用SPI总线的形式实现,主要涉及到时钟信号、片选信号以及正弦波的控制字编写。首先向大家展示一下顶层框图,我们是在uartus/' target='_blank'>QUARTUSII8.1环境下运行的。具体见图一:

基于FPGA控制AD9854产生正雷达信号源弦波.png

从上图可以看出,基于FPGA控制产生正弦波,主要包含以下几部分:

A:时钟分频部分;B:DDS控制信号部分;C:AD9854控制字部分。

(一)时钟分频部分

由于我们从外部输入的为50MHZ,而对于SPI总线,根据其协议,时钟一般为100KHZ或者400KHZ,我们用的是10MHZ,涉及到5分频电路设计。具体设计见下图所示:

基于FPGA控制AD9854产生正雷达信号源弦波.png


(二)DDS控制信号部分

AD9854芯片的复位信号,模式选择信号以及片选信号,都在这部分包含,在这里我们将模式选择和波形关键字信号引脚,直接引至地线处理。AD9854复位和I/O口复位信号都是依靠时钟信号的。片选信号是在时钟信号出现一段时间后产生DDS芯片的片选信号。

(三)AD9854控制字部分

这部分主要涉及如何很好的把握时序,我们将预先计算好的控制存在预定的存储器中,通过时钟同步信号有序的读取这些控制字。具体关键部分见下图:

基于FPGA控制AD9854产生正雷达信号源弦波.png


ad9854工作原理

AD9854采用80脚LQFP封装,其内部共有40个8位的控制寄存器,分别用来控制输出信号频率、相位、幅度、步进斜率等,以及一些特殊控制位。下表给出了控制寄存器的分布情况。

ad9854控制寄存器.png

AD9854能够产生多种形式的额输出信号,工作模式的选择是通过对控制寄存器IFH中的三个位(Mode2、Mode1、Mode0)的控制来实现的。见下表。

AD9854工作模式.png

事实上,除上述工作方式外,通过不同工作方式的组合控制,还可以产生更多的输出信号形式(例如,非线性调频信号)。下面分别予以介绍。

单频模式(SingleTone)

这是AD9854复位后的缺省工作模式。输出频率由写入控制寄存器04H~09H中的48位频率调谐字1(FrequcncyTuningWordI--FTW)决定,相位由控制寄存器00H~01H中的14位相位调谐字决定,1和Q通道的输出信号幅度可分别由控制寄存器21H~22H、23H~24H中的两个12位幅度调整控制字决定。此时,频率调谐字2(FTW2,0AH~0DH)和相位调谐字2(02H~03H)不用。

频率调谐字(FTW)=(fout&TImes;2N)/fsysglk

其中,fout;输出信号频率(0~fsysglk/2);

N,相位累加器的分辨率,这里是48位;

fsysglk,系统时钟。

值得注意的是,1和Q通道的输出在任何时侯都是正交的。另外,所有频率的改变都是相位连续的。

频移键控模式(FSK)

两个频率F1、F2分别由FTW1和FTW2中的值决定,输出哪个频率由Pin29的电平决定。Pin29为“0“,输出F1;Pin29为“I”输出F2。

频率渐变FSK(RampedFSK)

AD9854提供一种频率渐变的FSK输出模式,可改善输出信号的带宽性能。其输出滤形与传统的FSK的差别见图1。

此时,频率由Fl到F2的变化不是突变的,而是按一定的斜宰逐渐从F1变化到F2.该斜率由20位的渐变速率时钟(RampRateClock-RRC,1AH~1CH)和48位的频率步进字《(DetaFrequencyWord--DFW,10H~15H)寄存器中的值共同决定。

AD9854.png

FTW1寄存器中置低频控制字,FTW2寄存器中置高频控制字;RRC寄存器中置渐变过程中每个中间频率的持续时间控制字。48位的DFW寄存器中的值决定了每次频率步进量。频率的上升或下降由Pin29上的电平决定。Pin29为“0”,上升:Pin29为“1“,下降。当到达终点频率后则停止渐变并保持该终点频率。

A.自动三角波形频率输出。若置位控制寄存器1FH中的Triangle位,则无需Pin29脚上的电平控制,AD9854就能按照RRC和DFW寄存器中的设置产生从Fl到F2,然后立刻再从F2到F1的锯齿形频率输出。

B.控制位CLRACCI(]FH寄存器中):当该位置“1”时,则停止现行的频率渐变过程,回到起始频率重新开始下一个渐变过程。

C.控制位CLRACC2(1FH寄存器中):该位置“1”时,AD9854输出直流信号(0Hz)。

二位相移键控模式{BPSK)

这种工作方式的控制类似于FSK模式。两个输出相位P1和P2分别由两个14位相位调整控制字寄存器(00H~0lH,02H~03H)决定;Pin29上的电平决定用哪个作起始相位。输出信号的烦率由FTW1寄存器中的值决定。

相位分辨率=360度/2的14次方=0.022033691度

线性调频模式(FMChirp)

AD9854按用户所要求的频率分辨率、调频斜率、扫频方向和频宰范围产生精确的线性或非线性调频信号。此时,寄存器FTWl中装入的值决定起点频率;频率步进量由寄存器DFW决定;中间频率持续时间由寄存器RRC决定,Pin29为“保持(Hoid)”功能,高电平时.Chirp过程暂停,输出频率保持此前值不变,直至Pin29又重新变为低电平后,再以原来的斜率继续原Chirp过程。

需要注意的是,Chirp模式只规定了起点频率,而没有设定终点频率,所以需要由用户来决定何时停止该过程。若没有及时发出停止指令,频率会持续上升到fsysglk/2为止。

AD9854应用电路图

这里采用了AD9854 这款DDS 芯片, 它在300 MHz 时钟驱动下, 按照乃奎斯特采样定律可以产生最高150 MHz 的信号,为了得到信号较好的频率则一般只得到最高100 MHz 的信号。若要得到高于100 MHz 的信号, 则可采用其高次谐波得到。基于AD9854 的信号发生电路如图所示:

AD9854应用电路图.png

键盘共设有16个键,由P1.0~P1.3四条行线和P1.4~P1.7四条列线构成。其中包括数字键、单位键及功能键,用来对所需信号的频率、幅度及功能进行控制,最后输出的信号频率、幅度等信息通过液晶显示屏显示出来。显示部分采用国显公司的GXM1602NSL液晶模块,它的核心是HD44780。与W78E58的数据传输采用8位并行传输,可显示两行共32个点阵字符。HD44780支持用户自定义字符,故可以通过编程将频率、幅度、波形等汉字及数字信息显示出来。还采用了通信接口(RS232)与PC机相联,PC机的控制命令可以通过TXD(Pin10)和RXD(Pin11)与W78E58进行交互,控制信号源的输出。

AD9854应用电路图.png


【ad9854】

AD9854数字合成器是高集成度的器件,它采用先进的DDS技术,片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下,AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号,作为本振用于通信,雷达等方面。AD9854的DDS核具有48位的频率分辨率(在300M系统时钟下,频率分辨率可达1uHZ)。输出17位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。AD9854允许输出的信号频率高达150MHZ,而数字调制输出频率可达100MHZ。通过内部高速比较器正弦波转换为方波输出,可用作方便的时钟发生器。

特点

器件有两个14位相位寄存器和一个用作BPSK操作的引脚。对于高阶的PSK调制,可通过I/O接口改变相位控制字实现。具有改进DDS结构的12位I和Q通道D/A转换器可以提供较大的带宽并有较好的窄带无杂散动态范围(SFDR)。如果不使用Q通道的正交功能,它还可以通过配置,由用户编程控制D/A转换。当配置高速比较器时,12位D/A输出的方波可以用来做时钟发生器。它还有两个12位数字正交可编程幅度调制器,和通断整形键控功能,并有一个非常好的可控方波输出。同时脉冲调制功能在宽带扫频中也有重要应用。AD9854的300M系统时钟可以通过4X和20X可编程控制电路由较低的外部基准时钟得到也可以通过单端或差分输入。AD9854还有单脚输入的常规FSK和改进的斜率FSK输出。AD9854采用先进的0.35微米COMS工艺在3.3V单电源供电的情况下提供强大的功能。

封装

AD9854采用节省空间的80脚LQFP表面装配封装和改进散热的AD9854供电:3.3V(5V转3.3V)

MBR360:肖特基二极管


责任编辑:Davia

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标签: FPGA AD9854 DDS

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