基于FPGA的AD9910控制設計

隨著數字信號處理和集成電路的發展，要求數據處理速度越來越高，基于單片機+DDS(直接數字頻率合成)的頻率合成技術已不能滿足目前數據處理速度需求。針對這一現狀，本文提出了基于FPGA+DDS的控制設計，能夠快速實現復雜數字系統的功能。

1 AD9910的硬件電路設計
AD9910是ADI公司推出的一款單片DDS器件，內部時鐘頻率高達1GHz，模擬輸出頻率高達400 MHz，14-bit的DAC，最小頻率分辨率為0.23 Hz，相位噪聲小于-125 dBc／Hz@1 kHz(400 MHz)，窄帶無雜散動態范圍大于80 dB，串行I／O控制，具有自動線性和隨機的頻率、相位和幅度掃描功能，1 024 32位RAM，具有調幅、調相的功能，1．8 V和3．3 V供電，可實現多片同步。應用在高靈敏度的頻率合成器、可編程信號發生器、雷達和掃描系統的FM調制源、測試與測量裝置以及高速跳頻系統AD9910芯片的主要外圍電路為：參考信號源、控制、環路濾波器和輸出低通濾波器等電路。參考信號源為AD9910提供基準頻率，參考信號輸入芯片后，內部的倍頻器和鎖相環起作用產生1GSPS的系統時鐘；控制電路通過芯片的I／O給內部寄存器寫入內容，寄存器內容不同，芯片工作狀態不同，控制芯片可以是單片、FPGA或DSP，本設計采用FPGA；
AD9910提供專門的管腳外接環路濾波器，以優化內部PLL的性能，環路濾波器為簡單的低通濾波器；AD9910輸出高達400 MHz的模擬信號，為了減少噪聲，在它的輸出端口設計了400MHz的低通濾波器。
圖1為實際設計的AD9910外圍連接圖。

在AD9910的電路設計中，應注意以下幾個問題：
1)AD9910電源和地設計。AD9910需要4組電源，AVDD(1．8 V)、DVDD(1．8 V)、AVDD(3．3 V)和DVDD(3．3 V)，模擬電源和數字電源需要隔離，電源管腳的濾波最好采用鉭電容和陶瓷電容。在PCB設計中，數字地和模擬地分開，用磁珠單點連接，減少干擾。
2)AD9910環路濾波器設計。當外部的時鐘較低時，例如100 MHz，系統時鐘1 GHz，芯片內部的鎖相電路起作用，這時需要在外部設計環路濾波器，如圖1中R17、C47和C48構成的RC濾波器，電容電阻值用如下公式計算。


其中：N為分頻比，KD為鑒相器的增益，KV是VCO的增益，fOL是環路帶寬。
3)晶振電路的設計。AD9910需要外部提供參考信號源，它的質量直接決定了模擬輸出信號的質量(頻率精度和相位噪聲)，本設計采用高精度的溫補晶振，頻率100 MHz。在PCB設計時盡量靠近時鐘管腳。

2 FPGA控制AD9910的軟件實現
采用Ahem公司的EP1C6Q240C8控制AD9910，該器件的外部時鐘頻率為50 MHz，20個128?36 bit的RAM塊，5980個邏輯單元(LE)，240個管腳，屬表貼器件。
FPGA與AD9910的外圍電路簡單，無需外加任何驅動電路，從而節省了硬件電路設計和調試的時間，FPGA與AD9910的連接框圖如圖2所示。