基于FPGA控制AD9854产生正弦波

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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

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。

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：

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。

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：

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。

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：

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。

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：