1 AD9852和TMS320C6701簡介
該系統選用的直接頻率合成器是AD公司生產的AD9852,它能產生頻率、相位、幅度可編程控制的高穩定的模擬信號。在最高系統時鐘300MHz時,輸出頻率的范圍可達DC-120MHz,精度可達1.066μHz,頻率轉換速度可達每秒1×108個頻率點;具有14位數控調相和12位數控調幅功能;具有相移鍵控(PSK)、掃頻功能(CHIRP)和頻移鍵控(FSK)功能。
該系統選用的數字信號處理芯片(DSP)是TI公司生產的高速浮點TMS320C6701,其內部CPU集成了8個并行功能單元,配有32個32位通用寄存器,它在6ns周期時間里最多可同時執行8條32位指令,其運算能力可達1G FLOPS;存儲器尋址空間為32位,可尋址8/16/32位數據;有4個自加載的DMA傳輸通道。
2 TMS320C6701與AD9852接口電路
TMS320C6701是本系統的控制中心,其主要功能是將控制信號和信號波形參數發送到AD9852內部相應的控制寄存器。
對AD9852內部控制寄存器可以進行并口或串口的讀寫操作。因為AD9852的串口傳輸速率最大僅為10MHz,而并口傳輸速率可高達100MHz,為了提高DSP對AD9852的控制速度,本系統采用了并行接口方式。三片AD9852的8位數據總線同時占用DSP數據總線的D0～D7位,它們的6位地址總線同時占用DSP地址總線的A2～A7位。由于AD9852器件沒有片選輸入信號,需要利用DSP的寫信號/AWR、片選信號/CE0和高位地址數據線的第A21～A20位,并由EPLD對其進行譯碼形成WRB NO.1、WRB NO.2和WRB NO.3寫信號,分別控制三片AD9852器件的寫信號WRB,該寫信號負責把數據總線上的數據寫入到AD9852的I/O緩沖寄存器中進行緩存,這樣就實現了片選不同AD9852芯片的目的。
TMS320C6701還控制EPLD產生三片AD9852需要的復位信號RESET和外部更新時鐘EXT I/O UPDATE CLK。為了使三片AD9852和EPLD之間系統時鐘同步,它們的外部參考時鐘REFCLK由同一個50MHz的溫補晶振提供。
3 三片AD9852同步工作的關鍵技術
為了實現三片AD9852輸出信號波形相位同步,必須保證所有的AD9852芯片在同一個系統時鐘節拍下工作,每個AD9852的系統時鐘之間的相位誤差應該最大不超過一個周期。AD9852內部系統時鐘形成原理圖如圖2所示。AD9852有差分或單端兩種參考時鐘形式,它們既可以直接形成系統時鐘,又可以通過參考時鐘倍頻器倍頻后形成系統時鐘,選擇哪種參考時鐘和是否通過參考時鐘倍頻器倍頻可由用戶根據需要自行設置;異步的外部更新時鐘經過邊沿檢測電路后與系統時鐘同步,形成上升沿,觸發內部控制寄存器更新內容。從上述分析中可以看出,只有三片AD9852芯片參考時鐘同步,才能避免它們系統時鐘彼此之間不同步。下面介紹影響三片AD9852芯片同步工作的幾個關鍵信號。
3.1 參考時鐘信號
實現多片AD9852芯片同步的首要要求是每個AD9852的輸入參考時鐘之間必須有最小的相位差。本系統要求用一個時鐘信號源產生四路相干時鐘分別分配給EPLD和三片AD9852,這給保證時鐘信號的驅動能力和信號完整性帶來了難度。本系統的解決辦法是將溫補晶振產生的信號首先傳送到一個零延遲時鐘驅動芯片CY2305的輸入端,再由該芯片輸出四路同步時鐘信號,其中一路時鐘直接供給EPLD,其它三路時鐘分別輸入給三個MAX9371芯片,此芯片把輸入的單端LVTTL電平時鐘轉化成差分LVPECL電平時鐘后,再分別輸入給三片AD9852芯片。為了使輸入到每個AD9852的參考時鐘信號的延遲時間保持一致,需要采用蛇形差分對的走線方法精心布線,使參考時鐘PCB走線距離相同。本系統AD9852的參考時鐘之所以采用差分輸入模式,是因為它不僅可以抑制時鐘信號上的共模噪聲,而且它還具有最小的抖動率和更短的上升和下降時間(小于1ns)。
3.2 更新時鐘信號
在對AD9852進行控制編程時,寫入AD9852的數據首先被緩存在內部的I/O緩沖寄存器中,不會影響到AD9852的工作狀態;只有當AD9852的更新時鐘信號的上升沿到來時,觸發I/O緩沖寄存器把數據傳送給內部控制寄存器以后才改變AD9852的工作狀態。更新時鐘信號的產生有兩種方式,一種是由AD9852芯片內部自動地產生,用戶可以對更新時鐘的頻率進行編程來產生固定周期的內部更新時鐘;另一種是由用戶提供外部更新時鐘,此時AD9852 I/O UD引腳為輸入引腳,由外部控制器提供信號。
在同時寫入三片AD9852內部的頻率和相位控制寄存器的過程中,為了防止因數據建立和保持時間的原因而出現編程信息傳輸錯亂,使AD9852的輸出信號失去同步,本系統使用由EPLD提供的同一個外部更新時鐘信號。若使用AD9852內部更新模式,盡管可以簡化系統設計,但因為AD9852內部時鐘頻率較高,會受到AD9852接口速率的限制,使AD9852的控制時序不易控制。對外部更新時鐘信號的PCB布線同參考時鐘的要求一樣,必須使它的上升沿同時到達每片AD9852。
3.3 復位信號
該系統三片AD9852使用同一個復位信號,它在系統上電后和發送控制數據之前由EPLD產生,對AD9852的所有寄存器進行初始化,使相位累加器的狀態被設置為初始零相位,使三片AD9852輸出信號相位同步有個參考起始點;它也可以控制AD9852內部的14位相位調整控制寄存器,根據實際需要使它們輸出的模擬信號之間保持一定相位差,它調整相位的精度可達到0.022°。
3.4 參考時鐘信號倍頻
輸出頻率較低的溫補晶振性價比較高,當使用它產生參考時鐘信號時,需要使用AD9852片內參考時鐘倍頻器的鎖相環電路,實現4～20倍頻后才成為系統時鐘信號,這使多片AD9852芯片同步工作的問題變得復雜了,這是因為AD9852內部的鎖相環工作有兩個狀態:鎖定狀態和獲得鎖定狀態。在鎖定狀態,系統時鐘信號和輸入的參考時鐘信號可以保持同步。但當給AD9852發送控制指令時,其參考時鐘倍頻器工作后的一小段時間內,鎖相環不能立刻鎖定,它工作在獲得鎖定狀態,此時傳送到AD9852的相位累加器的系統時鐘周期個數是不可控的,直接導致三片AD9852輸出的信號之間相位不能同步,因此一定要等待鎖相環工作在鎖定狀態以后,再更新AD9852內部的頻率或相位等控制字。AD9852片內鎖相環鎖定的典型時間約為400μs,由于每個AD9852的鎖定時間不盡相同,建議至少留出1ms時間給鎖相環鎖定。
3.5 數據總線和地址總線信號
TMS320C6701的數據總線和地址總線需要同時與EPLD和三片AD9852相連接,為了提高總線的驅動能力,DSP輸出的總線需要通過TI公司的SN74LVTH162245芯片進行驅動后才能與這些異步接口的器件相連接。但是,這樣直接加上驅動的數據總線和地址總線被三片AD9852分時復用會帶來另一個潛在的問題,即復用的總線給多片AD9852之間提供了一個互相耦合的電氣通道,使它們的模擬輸出信號之間的隔離度可能達不到60dB的系統指標要求,故需要進一步改進。本系統采用的方法是使被復用的TMS320C6701總線上的每一路信號首先驅動SN74LVTH162245上的四個輸入端,這樣就可以從它的輸出端得到四個被相互隔離的四路相同信號,然后再各自加端接匹配電阻,對每路信號進行匹配后再接到各自的終端。這樣不僅解決了信號隔離問題,還很好地解決了一路信號線因驅動多路終端所引起的傳輸阻抗不匹配的問題。
4 AD9852的操作控制時序
(1)給系統上電,DSP控制EPLD產生復位信號RESET,此信號需要至少保持10個參考時鐘周期的高電平;
(2)依次給每個AD9852發送控制字,使每個AD9852工作狀態由缺省的內部更新時鐘模式改變成外部時鐘更新模式;
(3)將AD9852時鐘倍頻器工作的控制字依次寫入每個AD9852的I/O緩沖寄存器中,EPLD產生外部更新時鐘的同時更新每個AD9852內部控制寄存器;
(4)至少等待1.0ms時間使AD9852內部鎖相環鎖定。內部鎖相環鎖定后,DSP就可以發送有關信號波形參數給每片AD9852,對它們的內部控制寄存器內容進行同步更新,使三片AD9852輸出同步的模擬信號。
采用DSP控制DDS的方法完成的雷達信號模擬器已經得到了應用,結果證明該模擬器輸出的三路信號波形同步,具有很高的距離和速度分辨率。另外,DDS技術具有的靈活可編程特性使得上述結構的模擬器還可以有其它應用,只要改變DSP控制程序,就可以根據需要產生三路同步的各種信號波形。
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