AD9779A的寄存器配置及PLL频带优化

  随着科学技术的发展，通信、测量等各个领域对信号源的要求越来越高，高速任意波形发生器成为市场的热点。高速DAC作为任意波形发生器的关键部分，其性能对高速信号有着极大的影响。AD9779A是目前国内能买到的性能较高的高速DAC芯片，内部集成PLL倍频电路、同步控制、增益控制等功能模块，通过SPI接口和外部通信，可以设置优化各种功能以达到最佳性能。

　　1 AD9779A简介

　　AD9779A是Analog Devices公司生产的双通道16位高速宽动态范围数DAC，采样率1Gsps，允许高至奈奎斯特频率的多载波生成。0.18μm CMOS工艺制作，工作电压1．8～3．3 V，采样率1 Gsps时功耗1 W，具有高速、低功耗的特点。AD9779A还包含低噪声高性能的PLL时钟倍频电路，可以减轻板级时钟输入的负担。AD9779A可以应用在无线基础设施(WCDMA／CDMA2000／TD／GSM)、数字频率合成、宽带通信等领域。

　　2 AD9779A的SPI通信方式

　　2．1 AD9779A的SPI接口简介

　　SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信，以交换信息。通过AD9779A的SPI接口可以配置内部的寄存器，设置各种功能以达到设计要求。AD9779A的SPI接口支持单字节或多字节传输，包括高位优先和低位优先格式，由4根线组成，分别是：

　　①串行时钟(SCLK)，作为数据输入输出的同步时钟，最大时钟速率40 MHz。输入数据在时钟的上升沿锁存，下降沿数据输出。

　　②片选信号(CSB)，低电平开始通信周期并保持到通信周期结束，高电平时SDO和SDIO为高阻态。

　　③串行数据输入／输出口(SDIO)，该引脚既可作为单向数据输入口，也可作为双向数据输入输出口，通过寄存器(0x00，bit7)控制，默认为单向数据输入。

　　④串行数据输出(SDO)，作为数据输出口，SDIO配置为双向端口时，SDO为高阻态。

　　内部配置的任何改变会在最后一位写入后立刻生效，因此，当有多个字节写入到寄存器中时可以在一个通信周期中改变配置。同时，为了预防意外情况，改变寄存器配置时推荐使用单字节传输。

　　2．2 SPI接口操作

　　AD9779A的一个通信周期包括两个阶段。

　　第一阶段是指令周期(向设备写指令)与前8个SCLK的上升沿一致。指令字节规定串口控制器数据周期，也就是通信周期第二阶段的数据传输是读还是写，数据传输的字节数和第一个寄存器的地址。每个通信周期的前8个SCLK上升沿用来向设备写指令字节。

　　剩余的SCLK是通信周期的第二阶段。第二阶段是设备与MCU实际的数据传输阶段。每次可以传输1～4个字节，传输的字节数由指令周期决定。寄存器在每个字节的最后一位写入后立刻改变。

　　SPI指令如表1所列。

表1 SPI指令

　　，决定是读操作还是写操作。逻辑1读操作。逻辑0写操作。

　　N1和N0决定数据传输周期中传输的字节数。N1、N0表示的字节数如表2所列。

表2 N1、N0表示的字节数

　　A4～A0确定在数据传输时哪个寄存器可以被访问。在多字节传输时，这个地址是起始字节地址，其余寄存器地址由器件自动产生。最高位优先的寄存器配置时序如图1所示。

图1 最高位优先的寄存器配置时序如图

　　2．3 AD9779A的主要寄存器介绍

　　AD9779A内部有32个寄存器，每个寄存器8位，每位都有自己特定的功能。AD9779A的主要寄存器如表3所列。

表3 AD9779A的主要寄存器

　　3 AD9779A的寄存器配置

　　3．1 硬件设计

　　本文采用三星公司S3C2440作为为整个系统的控制芯片。S3C2440是ARM微处理器，它包含LCD控制器、SDRAM控制器、3通道UART、音频接口、USB控制器、2通道SPI等，其低成本、高性能的特点适用于各种嵌入式领域。S3C2440作为主设备对从设备AD9779A进行配置的硬件连接如图2所示。

图2 S3C2440和AD9779A的接口

　　S3C2440A的SPI接口可以和外部设备同时发送／接收8位数据，用一个时钟线来同步。当SPI是主机时，传输频率通过设定SPPREn寄存器的相应位来控制，最高速率应小于25 MHz。如果SPI是从属，其他的主机提供时钟。设置一个GPIO作为nSS，当程序写数据到SPTDATn寄存器时，如果ENSCK、SPCONn寄存器的MSTR被置位，SPI发送／接收操作会同时开始。在写字节数据到SPTDATn之前，nSS应该被激活。

　　SPI接口编程基本步骤如下：

　　①设置时钟波特率预分频寄存器(SPPREn)；

　　②设置SPCONn配置SPI模块；

　　③设置一个GPIO引脚，其作为nSS，低电平片选使能；

　　④发送数据→检查数据传输准备标志(REDY=1)的状态，然后写数据到SPTDATn；

　　⑤接收数据→写数据0xFF到SPTDATn→确认REDY置1，然后读取缓存数据；

　　⑥nSS拉高，解除片选。

　　3．2 软件设计

　　软件设计主要实现S3C2440读写AD9779A寄存器的功能，为后面的PLL频带锁定做准备。在ARM Realview MDK环境下使用C语言编写软件。

　　4 PLL在环境温度下的频带优化锁定

　　AD9779A的PLL VCO(压控振荡器)有效运行范围1.0～2.0GHz，在这个范围内有63个频率重叠带，如图3所示。对于期望的VCO输出频率，有多个有效的PLL频带值供选择。但各个频带的锁定范围随温度的变化而变化。各个频带的中心频率随温度的升高而降低，随温度的降低而升高。每个器件在特定的温度下都有一个最优的PLL频带选择值，而且各个器件之间也有30～40 MHz的误差。因此，需要为每个器件选择合适的PLL频带值。

图3 25℃环境下的典型锁定范围

　　AD9779A具有PLL频带自动选择功能，当自动选择功能启用时，能得到一个PLL的锁定频带，通过SPI读取相应的寄存器得到该频带值，即当前温度下的优化频带。为了在整个温度范围内获得最佳的PLL性能，PLL必须用表4所列的设置。

表4 PLL设置

　　4．1 使用温度传感器配置PLL频带

　　当器件在一个极端温度下启动，PLL自动模式下得到的频带值在另一个温度下可能无法保持锁定。AD9779A在-40～+85℃环境下的PLL频带配置方法如下：

　　①配置N1(Register 0x09，Bits[6：5])和N2(Register 0x09，Bits[4：3])。

　　②设置PLL频带值为63(Register 0x08，Bits[7：2])，开启PLL自动模式。

　　③等到PLL_LOCK引脚或PLL锁定指示器(Register 0x00，Bit1)变成高电平。这个过程大概5 ms。

　　④读回6位的PLL频带值(Register 0x08，Bits[7：2])。

　　⑤当PLL自动选择完成，根据温度，通过向(Register0x08，Bits[7：2])写入回读值来设置PLL频带。

　　这个过程要求在启动或复位时检测温度，以达到PLL频带值的最优化。如果最优频带在0～31范围内(低VCO频率)，参考表5。

表5 PLL频带优化设置（频带值0～31）

　　如果最优频带在32～62范围内(高VCO频率)，参考表6。

表6 PLL频带优化设置（频带值32～62）

　　4．2 工厂校准模式设定PLL频带

　　如果没有温度传感器，可以在室温(约25℃±10℃)下进行工厂校准法。步骤如下：

　　①设置N1(Register 0x09，Bits[6：5])和N2(Register 0x09，Bits[4：3])。

　　②设置PLL频带值为63(Register 0x08，Bits[7：2])，开启PLL自动模式。

　　③等到PLL_LOCK引脚或PLL锁定指示器(Register 0x00，Bitl)变成高电平。这个过程大概5 ms。

　　④读回6位的PLL频带值(Register 0x08，Bits[7：2])。

　　⑤向非易失性存储器写入PLL频带值。系统上电或重启时，通过SPI载入PLL频带值到Register 0x08，Bits[7：2]。

　　4．3 PLL频带优化程序

　　结语

　　AD9779A在信号发生器中是数模转换的关键部分，实际使用中根据工程需要来配置AD9779A内部寄存器。经检验20℃当输入时钟为150 MHz，N1=2，N2=4时，PLL频带值稳定在010010(18)，fvco范围为1 174～1 231MHz。输入时钟为100 MHz，N1=4，N2=4时，PLL频带值稳定在100111(39)，fvco范围为1 564～1 639 MHz。SPI通信程序也可用于信号发生器的直流偏置和输出校准部分，从而简化系统的软件设计。