高性能DDS芯片AD9854结构功能简介

【摘要】本文介绍了ADI公司的高性能DDS芯片AD9854。AD9854是一款CMOS工艺的300 MSPS正交完整DDS芯片，在现代波形发生与合成、通信领域有着广泛的应用。本文介绍了DDS技术的基本原理及AD9854内部结构级功能。

【关键词】DDS；AD9854；DDS核；反辛格滤波器

1.引言

在现代电子技术中，波形的产生与合成以及基于此的调制应用无处不在。在直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthe-sizer，DDS）技术出现前，一般采用模拟方法，如晶体管振荡器、锁相环等电路来实现。模拟方法可以产生很高的频率，但是不够精确、不易自动控制。DDS技术的出现和快速发展为这类应用提供了一种低成本、低功耗、高分辨率的解决方案。本文介绍了DDS技术的基本原理和ADI公司的高性能DDS芯片系列中的AD9854的结构与功能。

2.DDS技术原理

DDS技术可以通过数字化的方法产生所需信号的一种技术。

正弦信号的表达式为：

(1)

可以看出幅度的变化与时间并不成正比，但是角度的变化与幅度是成正比的，我们从单位圆可以解释，如图1所示。

图中表达式为：

(2)

正弦波的t时刻对应值即为单位圆半径在纵轴上的投影，随是成线性变化的。由式(2)可得：

(3)

在实际器件中，，代入上式则有：

(4)

DDS器件中的相位累加器西欧那个0-2循环计数，设相位累加器为N位，则。代入式(4)我们即可得到最终DDS输出频率为：

(5)

式中，为输出频率，FTW为频率字（即），为系统时钟频率，N为相位累加器长度。

从式（5）我们可以看出，当FTW取最小值1时，输出频率最小，也即DDS器件的分辨率为：

(6)

输出最大频率由采样定理决定，为：

(7)

3.AD9854的结构与功能

AD9854是ADI公司的一款CMOS工艺300MSPS正交的完整DDS芯片。AD9854是一款高度集成的芯片，采用先进的DDS技术，内部集成了300MHz的DDS核（ASVZ系列为300MHz，ASTZ系列为200MHz）、高速高性能双路正交DAC、反辛格滤波器、双路48位频率寄存器、双路14位相位寄存器、4～20倍时钟倍频器、调幅模块和3ps均方根抖动超高速比较器。DDS核内含48位相位累加器和正弦表。当用稳定精密的时钟源作为基准时，AD9854能产生频率和相位非常稳定、幅度编程可调的正弦或余弦信号，可用作通信、雷达和其它许多应用中的捷变LO。

AD9854采用3.3V单电源供电，允许电源误差为+5%，最大功耗4.06W。由于整体功耗很大，器件内部控制寄存器设置了可以关断比较器、QDAC、数字部分、PLL、反辛格滤波器等模块的关断位，用户可以将未使用的模块关闭，需要时再打开，减小芯片功耗和发热。AD9854的控制接口采用节省I/O口的2线或3线SPI协议串行接口和100MHz高速并行接口。AD9854片上重要模块介绍如下：

(1)DDS核

AD9854中的新型高速DDS核提供了48位频率分辨率，在系统时钟300MHz的情况下仍能够精确到1，保持17位即可确保该芯片具有优秀的无杂散动态范围（SFDR），100MHz（）输出下SFDR达到80dB。

根据奈奎斯特采样定理，在300MHz系统时钟下，AD9854理论上最高可以输出150MHz的信号，在实际应用中，输出信号达到150MHz时，信号质量很差，幅度衰减非常大，实际可用最高频率大概在130MHz左右。AD9854的输出信号数字调谐频率可以达到每秒1亿次。

(2)双路正交DAC

AD9854内部有两路DAC——IDAC和QDAC。两路DAC的满量程输出幅度由第56引脚的电阻——中电流决定，最大不超过20mA，当设置满量程电流在20mA时可获得最佳SFDR性能。的电流由下式决定：

(Ω)　　 　(8)

式中，为输出满量程电流。在输出高频信号时，总谐波失真变得明显，双路DAC的满量程电流更应合理设置以获得最佳SFDR。两路DAC都可以由程序设定是否经过反辛格滤波器。

IDAC内部固定于正弦表连接，QDAC可配置为与内部余弦表连接或独立出来，作为一个单独的高速电流DAC使用，此时QDAC的输出幅度由用户写入的12位二进制补码决定。当QDAC不用时可以关断以降低功耗。

(3)反辛格滤波器(反sinc滤波器)。

DDS是靠高速DAC将模拟正弦信号量化输出的过程，输出信号是由一个一个小台阶构成的。这时信号的频谱为sinc包络，由于DAC的零阶保持效应，输出信号的频谱为sinc包络与脉冲流经过付里叶变换的乘积，所以输出频谱会有遵从sine响应的固有的畸变。反辛格滤波器的频谱响应为反sinc包络，数据经过该滤波器就可以校正sinc包络形的畸变。反辛格滤波器使得宽带信号在低频和高频使得幅度变化不会太大，如QPSK信号。反辛格滤波器能起到稳定幅度的作用，但功耗很大，在300MHz频率下达到400mA以上，且会带来插入损耗。

(4)时钟倍频器。

AD9854的参考时钟为300MHz，在最大时钟频率下页能够精确到1。但是这是基于所提供的时钟源为高精度时钟源，如何提供这一高精度、高频参时钟是一个不得不解决的问题。

有厂商生产这样的振荡器，但性价比太低，一个300MHz的高精度振荡器不比AD9854便宜。而且300MHz的振荡信号还很容易耦合到其他电路中，干扰有用信号。为此，AD9854内设了一个4-20倍可编程时钟倍频器，用户可以外接一个高精度、低频的时钟源，然后经内部倍频后再共给DDS核使用。需要指出的是，AD9854提供两种时钟输入方式——单端输入和双端输入。建议用户将单端时钟经用变压器或时钟芯片(如MC100LVEL16)把单端时钟转换为差分信号再输入到DDS芯片，这样能获得更好的性能。

(5)调幅模块。

AD9854在内部还集成了调幅模块，可以通过程序设定DAC输出最大幅度。可以通过高速控制器，如FPGA、DSP对信号进行调幅操作，同时可以用此功能软件稳幅。

(6)比较器

AD9854的片上比较器具有300MHz切换速率、3ps均方根抖动，输出可以用作其他电路的高精度时钟源。

4.总结

AD9854充分体现了DDS技术的高分辨率、快速转换时间、易于程序控制的特点。AD9854的高性能使得其在诸多场合得以应用，如可编程时钟发生器、雷达和扫描系统的FM线性调频源、测试与测量设备等。

参考文献

[1]Analog Devices AD9854 Rev.E datasheet.

[2]Walt Kester.数据转换器代码.Analog Devices.

[3]郭德春,费元春.高性能DDS芯片一AD9852的应用研究[J].电讯技术,2001(4).

[4]A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis,Analog Devices.

作者简介：

李津生（1991—），男，现就读于南京邮电大学电子科学与工程学院电子科学与技术专业。

丁敏（1989—），女，现就读于南京邮电大学电子科学与工程学院电磁场与无线技术专业。

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