隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域?qū)π盘?hào)源的要求越來(lái)越高，高速任意波形發(fā)生器成為市場(chǎng)的熱點(diǎn)。高速DAC作為任意波形發(fā)生器的關(guān)鍵部分，其性能對(duì)高速信號(hào)有著極大的影響。AD9779A是目前國(guó)內(nèi)能買到的性能較高的高速DAC芯片，內(nèi)部集成PLL倍頻電路、同步控制、增益控制等功能模塊，通過(guò)SPI接口和外部通信，可以設(shè)置優(yōu)化各種功能以達(dá)到最佳性能。

　　1 AD9779A簡(jiǎn)介

　　AD9779A是Analog Devices公司生產(chǎn)的雙通道16位高速寬動(dòng)態(tài)范圍數(shù)DAC，采樣率1Gsps，允許高至奈奎斯特頻率的多載波生成。0.18μm CMOS工藝制作，工作電壓1．8～3．3 V，采樣率1 Gsps時(shí)功耗1 W，具有高速、低功耗的特點(diǎn)。AD9779A還包含低噪聲高性能的PLL時(shí)鐘倍頻電路，可以減輕板級(jí)時(shí)鐘輸入的負(fù)擔(dān)。AD9779A可以應(yīng)用在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施(WCDMA／CDMA2000／TD／GSM)、數(shù)字頻率合成、寬帶通信等領(lǐng)域。

　　2 AD9779A的SPI通信方式

　　2．1 AD9779A的SPI接口簡(jiǎn)介

　　SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信，以交換信息。通過(guò)AD9779A的SPI接口可以配置內(nèi)部的寄存器，設(shè)置各種功能以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。AD9779A的SPI接口支持單字節(jié)或多字節(jié)傳輸，包括高位優(yōu)先和低位優(yōu)先格式，由4根線組成，分別是：

　?、俅袝r(shí)鐘(SCLK)，作為數(shù)據(jù)輸入輸出的同步時(shí)鐘，最大時(shí)鐘速率40 MHz。輸入數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿鎖存，下降沿?cái)?shù)據(jù)輸出。

　?、谄x信號(hào)(CSB)，低電平開(kāi)始通信周期并保持到通信周期結(jié)束，高電平時(shí)SDO和SDIO為高阻態(tài)。

　?、鄞袛?shù)據(jù)輸入／輸出口(SDIO)，該引腳既可作為單向數(shù)據(jù)輸入口，也可作為雙向數(shù)據(jù)輸入輸出口，通過(guò)寄存器(0x00，bit7)控制，默認(rèn)為單向數(shù)據(jù)輸入。

　?、艽袛?shù)據(jù)輸出(SDO)，作為數(shù)據(jù)輸出口，SDIO配置為雙向端口時(shí)，SDO為高阻態(tài)。

　　內(nèi)部配置的任何改變會(huì)在最后一位寫入后立刻生效，因此，當(dāng)有多個(gè)字節(jié)寫入到寄存器中時(shí)可以在一個(gè)通信周期中改變配置。同時(shí)，為了預(yù)防意外情況，改變寄存器配置時(shí)推薦使用單字節(jié)傳輸。

　　2．2 SPI接口操作

　　AD9779A的一個(gè)通信周期包括兩個(gè)階段。

　　第一階段是指令周期(向設(shè)備寫指令)與前8個(gè)SCLK的上升沿一致。指令字節(jié)規(guī)定串口控制器數(shù)據(jù)周期，也就是通信周期第二階段的數(shù)據(jù)傳輸是讀還是寫，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)和第一個(gè)寄存器的地址。每個(gè)通信周期的前8個(gè)SCLK上升沿用來(lái)向設(shè)備寫指令字節(jié)。

　　剩余的SCLK是通信周期的第二階段。第二階段是設(shè)備與MCU實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸階段。每次可以傳輸1～4個(gè)字節(jié)，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)由指令周期決定。寄存器在每個(gè)字節(jié)的最后一位寫入后立刻改變。

　　SPI指令如表1所列。

表1 SPI指令

　　，決定是讀操作還是寫操作。邏輯1讀操作。邏輯0寫操作。

　　N1和N0決定數(shù)據(jù)傳輸周期中傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。N1、N0表示的字節(jié)數(shù)如表2所列。

表2 N1、N0表示的字節(jié)數(shù)

　　A4～A0確定在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)哪個(gè)寄存器可以被訪問(wèn)。在多字節(jié)傳輸時(shí)，這個(gè)地址是起始字節(jié)地址，其余寄存器地址由器件自動(dòng)產(chǎn)生。最高位優(yōu)先的寄存器配置時(shí)序如圖1所示。

圖1 最高位優(yōu)先的寄存器配置時(shí)序如圖

　　2．3 AD9779A的主要寄存器介紹

　　AD9779A內(nèi)部有32個(gè)寄存器，每個(gè)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 硬件設(shè)計(jì)

　　本文采用三星公司S3C2440作為為整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片。S3C2440是ARM微處理器，它包含LCD控制器、SDRAM控制器、3通道UART、音頻接口、USB控制器、2通道SPI等，其低成本、高性能的特點(diǎn)適用于各種嵌入式領(lǐng)域。S3C2440作為主設(shè)備對(duì)從設(shè)備AD9779A進(jìn)行配置的硬件連接如圖2所示。

圖2 S3C2440和AD9779A的接口

　　S3C2440A的SPI接口可以和外部設(shè)備同時(shí)發(fā)送／接收8位數(shù)據(jù)，用一個(gè)時(shí)鐘線來(lái)同步。當(dāng)SPI是主機(jī)時(shí)，傳輸頻率通過(guò)設(shè)定SPPREn寄存器的相應(yīng)位來(lái)控制，最高速率應(yīng)小于25 MHz。如果SPI是從屬，其他的主機(jī)提供時(shí)鐘。設(shè)置一個(gè)GPIO作為nSS，當(dāng)程序?qū)憯?shù)據(jù)到SPTDATn寄存器時(shí)，如果ENSCK、SPCONn寄存器的MSTR被置位，SPI發(fā)送／接收操作會(huì)同時(shí)開(kāi)始。在寫字節(jié)數(shù)據(jù)到SPTDATn之前，nSS應(yīng)該被激活。

　　SPI接口編程基本步驟如下：

　?、僭O(shè)置時(shí)鐘波特率預(yù)分頻寄存器(SPPREn)；

　?、谠O(shè)置SPCONn配置SPI模塊；

　?、墼O(shè)置一個(gè)GPIO引腳，其作為nSS，低電平片選使能；

　　④發(fā)送數(shù)據(jù)→檢查數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備標(biāo)志(REDY=1)的狀態(tài)，然后寫數(shù)據(jù)到SPTDATn；

　?、萁邮諗?shù)據(jù)→寫數(shù)據(jù)0xFF到SPTDATn→確認(rèn)REDY置1，然后讀取緩存數(shù)據(jù)；

　　⑥nSS拉高，解除片選。

　　3．2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)S3C2440讀寫AD9779A寄存器的功能，為后面的PLL頻帶鎖定做準(zhǔn)備。在ARM Realview MDK環(huán)境下使用C語(yǔ)言編寫軟件。

　　4 PLL在環(huán)境溫度下的頻帶優(yōu)化鎖定

　　AD9779A的PLL VCO(壓控振蕩器)有效運(yùn)行范圍1.0～2.0GHz，在這個(gè)范圍內(nèi)有63個(gè)頻率重疊帶，如圖3所示。對(duì)于期望的VCO輸出頻率，有多個(gè)有效的PLL頻帶值供選擇。但各個(gè)頻帶的鎖定范圍隨溫度的變化而變化。各個(gè)頻帶的中心頻率隨溫度的升高而降低，隨溫度的降低而升高。每個(gè)器件在特定的溫度下都有一個(gè)最優(yōu)的PLL頻帶選擇值，而且各個(gè)器件之間也有30～40 MHz的誤差。因此，需要為每個(gè)器件選擇合適的PLL頻帶值。

圖3 25℃環(huán)境下的典型鎖定范圍

　　AD9779A具有PLL頻帶自動(dòng)選擇功能，當(dāng)自動(dòng)選擇功能啟用時(shí)，能得到一個(gè)PLL的鎖定頻帶，通過(guò)SPI讀取相應(yīng)的寄存器得到該頻帶值，即當(dāng)前溫度下的優(yōu)化頻帶。為了在整個(gè)溫度范圍內(nèi)獲得最佳的PLL性能，PLL必須用表4所列的設(shè)置。

表4 PLL設(shè)置

　　4．1 使用溫度傳感器配置PLL頻帶

　　當(dāng)器件在一個(gè)極端溫度下啟動(dòng)，PLL自動(dòng)模式下得到的頻帶值在另一個(gè)溫度下可能無(wú)法保持鎖定。AD9779A在-40～+85℃環(huán)境下的PLL頻帶配置方法如下：

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

　?、谠O(shè)置PLL頻帶值為63(Register 0x08，Bits[7：2])，開(kāi)啟PLL自動(dòng)模式。

　　③等到PLL_LOCK引腳或PLL鎖定指示器(Register 0x00，Bit1)變成高電平。這個(gè)過(guò)程大概5 ms。

　　④讀回6位的PLL頻帶值(Register 0x08，Bits[7：2])。

　?、莓?dāng)PLL自動(dòng)選擇完成，根據(jù)溫度，通過(guò)向(Register0x08，Bits[7：2])寫入回讀值來(lái)設(shè)置PLL頻帶。

　　這個(gè)過(guò)程要求在啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)檢測(cè)溫度，以達(dá)到PLL頻帶值的最優(yōu)化。如果最優(yōu)頻帶在0～31范圍內(nèi)(低VCO頻率)，參考表5。

表5 PLL頻帶優(yōu)化設(shè)置（頻帶值0～31）

　　如果最優(yōu)頻帶在32～62范圍內(nèi)(高VCO頻率)，參考表6。

表6 PLL頻帶優(yōu)化設(shè)置（頻帶值32～62）

　　4．2 工廠校準(zhǔn)模式設(shè)定PLL頻帶

　　如果沒(méi)有溫度傳感器，可以在室溫(約25℃±10℃)下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)法。步驟如下：

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

　?、谠O(shè)置PLL頻帶值為63(Register 0x08，Bits[7：2])，開(kāi)啟PLL自動(dòng)模式。

　?、鄣鹊絇LL_LOCK引腳或PLL鎖定指示器(Register 0x00，Bitl)變成高電平。這個(gè)過(guò)程大概5 ms。

　　④讀回6位的PLL頻帶值(Register 0x08，Bits[7：2])。

　?、菹蚍且资源鎯?chǔ)器寫入PLL頻帶值。系統(tǒng)上電或重啟時(shí)，通過(guò)SPI載入PLL頻帶值到Register 0x08，Bits[7：2]。

　　4．3 PLL頻帶優(yōu)化程序

　　結(jié)語(yǔ)

　　AD9779A在信號(hào)發(fā)生器中是數(shù)模轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，實(shí)際使用中根據(jù)工程需要來(lái)配置AD9779A內(nèi)部寄存器。經(jīng)檢驗(yàn)20℃當(dāng)輸入時(shí)鐘為150 MHz，N1=2，N2=4時(shí)，PLL頻帶值穩(wěn)定在010010(18)，fvco范圍為1 174～1 231MHz。輸入時(shí)鐘為100 MHz，N1=4，N2=4時(shí)，PLL頻帶值穩(wěn)定在100111(39)，fvco范圍為1 564～1 639 MHz。SPI通信程序也可用于信號(hào)發(fā)生器的直流偏置和輸出校準(zhǔn)部分，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。