基于FPGA+DDS的控制设计

1 引言

随着数字信号处理和集成电路的发展，要求数据处理速度越来越高，基于单片机+DDS(直接数字频率合成)的频率合成技术已不能满足目前数据处理速度需求。针对这一现状，本文提出了基于FP—GA+DDS的控制设计．能够快速实现复杂数字系统

的功能。

2 AD9911简介

AD99ll是ADI公司推出的一款单片DDS器件，内部时钟频率高达500 MHz，具有2、4、8、16级FSK、ASK、PSK等调制方式，可完成线性和非线性扫频等功能，内部集成有10位电流型D／A转换器、超高速比较器、4～20倍可编程参考时钟倍乘器、32位的可编程频率寄存器、14位的可编程相位偏置寄存器、10位幅度调制偏置寄存器；具有多器件通信模式和可编程功能；采用先进的O．35μm CMOS工艺，仅需3.3 V的供电电源可输出高达250 MHz的同步正交信号。通过其内部幅度、频率、相位寄存器控制输出信号的幅度、频率、相位。

3 FPGA控制AD9911的具体实现

采用Lattice公司的FPGALFXP6C-3T144C控制AD99ll，该器件的外部时钟频率为25 MHz，内部自带2个锁相环，通过PLL倍频时钟频率高达500 MHz，10个RAM块，每一个RAM块的容量都是9 Kbit，提供分布式RAM，5 800个LUT，720个PFU，共有8个模块144位的I／O端口，其中单独输入／输出设置101个端口。一个I／O端口用作外部时钟的输入，另一个I／0端口用作系统上电复位中断输入。LatticeXP器件将非易失的Flash单元和SRAM技术组合在一起，无需配置器件提供支持“瞬间”启动和无限可重复配置的单芯片解决方案。上电时。该配置在1 ms内从Flash存储器中被传送到SRAM中，可提供瞬时上电的FPGA。

      

FPGA与AD99ll的外围电路简单，无需外加任何驱动电路，从而节省了硬件电路设计和调试时间，如图l所示。其中SDIO_3用于控制I／O端口的工作状态，CS为片选信号，SDIO_0是数据传输线，I／Oupdate使能DDS内部各寄存器数据更新，SCLK用于输出数据交换的控制时钟，DDS_RET控制DDS的系统复位。另外，由于未采用多芯片数据通信，所以需将AD9911的l引脚和2引脚悬空，此时AD991l为单芯片独立通信模式。

设置AD99ll的25个寄存器，其中地址为0X00～0X03的寄存器是控制寄存器，分别用于控制设置工作模式、比较器、输出度、系统时钟等。

首先，设置地址为0X00的寄存器CSR，用于选择通道及通道输入／输出模式。本系统设计选用最基础的SINGLE-TONE工作模式，数据输入方式定义为MSB，则0X00寄存器中的内容应为0X20。

地址为0X0l的寄存器FRl用于控制器件的工作模式，包括器件内部PLL倍乘器的开关与倍数、系统时钟开关、多芯片通信同步控制、Test—tone模式、Shift—Keying模式控制等。AD99ll外部采用25MHz的晶体振荡器，系统时钟设定为500 MHz，未使用Test—tone模式和Shift Keying模式，因此将0X0l寄存器中的VCO gain control位置为l，倍乘器倍数置为20，其他控制位全置为0。这样地址为0X0l寄存器中的内容应为0XDO_00_00。

此外，地址为0X02的寄存器主要控制多芯片通信模式和线性扫频。地址为0X03的寄存器CFR主要控制器件的输出波形和线性扫频。由于本系统设计无需对相位累加器清零，只需使输出波形正弦化，因此该寄存器内容应为0X00_03_01。然后再设置频率寄存器、幅度寄存器、相位寄存器。由于采用Single-Tone工作模式，且只利用频率调制，因此只需设置地址为0X04的寄存器即可。该寄存器又称CTW0寄存器，用于控制波形频率，精度为32位。因此，该寄存器可控制频率为0"250 MHz。            

由于对输出波形的相位和幅度无特殊要求，因此，其他寄存器保存为默认值即可。

对AD991l读写操作时，需要注意AD9911的时序要求，如图2和表1所示。由于FPGA的系统时钟可在100"300 MHz范围内选择，执行一个指令需占用时间约为3．3～10 ns。鉴于AD9911的时序要求，要求在时间控制方面特别注意。



如图2所示，在SCLK上升沿，写入数据有效，FPGA控制SCLK信号的产生。SLCK的最大频率为200 MHz，即要求数据输入的最大频率不能大于200MHz。具体写入数据的程序代码(使用Verilog HDL编写)如下所示：



该指令用于对地址为0X00的通道选择寄存器CSR进行写操作，dds_clk控制SCLK。但鉴于FPGA的高速处理能力，在程序设计时需要注意一些特殊时序要求，如以下几方面问题。

(1)在Single Bit Mode和2一Bit Mode模式下，SDIO_3作为SYNC_I／O，不能忽略应将其悬空，这将导致系统无法正常工作。当SDIO_3置0时，数据通信正常，而当SDIO_3置l或悬空时，通信中断。

(2)AD99ll开始工作时必须先将其复位，复位时间至少应保持lO个系统工作周期。

(3)如果系统工作需多次使用I／O Update，要注意I／O Update引脚置l的时间控制，这关系到系统是否能顺利设置各个寄存器。

4 例程

为了更好说明FPGA对AD9911的控制，以下给出相关例程：



例程中，将update信号设置为手动，通过频率控制寄存器写入频率控制字0X3C91_D14E，此数字转换成十进制为1 016 189 262，代入频率控制字的公式，计算出频率为118．29 MHz。使用示波器测量观察，如图3所示，图像中显示的是激光光绘机激光扫描驱动信号，可以看出，输出波形的频率为118．3 MHz，与初始设定值一致。由此可见，程序符合设计要求。



5 结语

FPGA对AD9ll的控制是通过对其各控制寄存器进行相关设置来实现的。随着FPGA的广泛应用，以及更快的数据处理速度，基于FPGA+DDS在数据处理速度上的优势，FPGA控制DDS不仅可应用于雷达线性扫描和菲林产品的激光扫描驱动等领域。而且还将在更多领域得到广泛应用。