雷達(dá)信號源的設(shè)計(jì)在雷達(dá)測試中有著非常重要的作用。DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨力以及集成化等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。
FPGA具有集成度高、通用性好、設(shè)計(jì)靈活、編程方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此采用AD9854和FPGA來設(shè)計(jì)雷達(dá)信號源。
1 系統(tǒng)方案概述
根據(jù)雷達(dá)信號源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，總體框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)主要由FPGA時序控制部分、AD9854頻率合成部分、波形存儲三部分組成。在此重點(diǎn)闡述FPGA設(shè)計(jì)和AD9854硬件設(shè)計(jì)兩部分。
系統(tǒng)的主體部分主要由高速數(shù)字邏輯時序控制模塊(FPGA)和DDS芯片AD9854構(gòu)成，還包括放大模塊、濾波模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊。該部分通過FPGA對整個電路的數(shù)字部分進(jìn)行時序控制，包括給AD9854發(fā)送數(shù)據(jù)、地址、時鐘以及控制信號。AD9854是DDS芯片，能產(chǎn)生所需要的信號。存儲部分采用了FLASH和SRAM;FLASH主要用來存儲波形文件，而SRAM主要是在開機(jī)時暫存數(shù)據(jù)文件。
通過控制面板發(fā)送觸發(fā)信號和模式選擇信號對系統(tǒng)信號產(chǎn)生進(jìn)行控制。當(dāng)FPGA接收到觸發(fā)信號時，F(xiàn)PGA才開始工作，并且給AD9854發(fā)送數(shù)據(jù)以產(chǎn)生信號。模式選擇信號是3位的二進(jìn)制數(shù)，可以產(chǎn)生8種狀態(tài)?？刂泼姘搴虵PGA通過RS 422電平相連，通過差分?jǐn)?shù)據(jù)線來傳輸數(shù)據(jù)。
PC機(jī)應(yīng)用軟件完成所需各種軟件的波形數(shù)據(jù)的計(jì)算，包括起始頻率FTW，頻率分辨率DFW，時間分辨率RRC等數(shù)據(jù)，然后將所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成.dat格式。PC通過串口與系統(tǒng)主板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)最后存儲到主板的存儲器中(FLASH和SRAM);當(dāng)系統(tǒng)工作時，F(xiàn)PGA從FLASH中讀取波形文件來產(chǎn)生信號。
2 AD9854模塊
2.1 AD9854芯片介紹
數(shù)字頻率合成芯片AD9854是用于高端DDS技術(shù)的一款芯片，該芯片帶有兩個高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器，可以同時輸出I/Q兩路正交信號。當(dāng)參考時鐘源很精確時，AD9854能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定度的，頻率、相位、幅度均可編程的正弦和余弦曲線，被廣泛地應(yīng)用于通信、雷達(dá)、儀器等應(yīng)用領(lǐng)域。AD9854的高速DDS內(nèi)核能夠提供48 B的相位累加器和頻率累加器(在300 MHz的系統(tǒng)時鐘下，可達(dá)1μHz的頻率分辨率);其中17 B的相位-幅度映射位數(shù)能夠確保該芯片優(yōu)良的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)性能。
2.2 AD9854芯片工作模式
AD9854具有5種可編程操作模式，通過改變控制寄存器(并行尋址方式下的地址為1FH)的控制位即可以選擇相應(yīng)的模式。根據(jù)本方案，主要對單頻(Single Tone)模式和調(diào)頻(Chirp)模式進(jìn)行探討。5種模式的選擇表如表1所示。
2.2.1 單頻模式
系統(tǒng)上電或硬件復(fù)位時，AD9854自動進(jìn)入該默認(rèn)模式，此時芯片輸出的信號是直流信號。當(dāng)對頻率控制字進(jìn)行設(shè)定后，即可輸出單頻信號。
2.2.2 調(diào)頻模式
此處的調(diào)頻模式即為常見的脈沖調(diào)頻模式。AD9854同時支持線性和非線性這兩種調(diào)頻模式。該雷達(dá)信號源要求既能產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，也能產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號，所以AD9854完全能滿足要求。脈沖調(diào)頻信號的時寬主要是由update clock來決定。當(dāng)?shù)谝粋€update clock信號到來時，AD9854把I/O緩存中的FTW，DFW，RRC以及其他的控制字都送到可編程寄存器中，AD9854開始工作。當(dāng)脈沖調(diào)頻信號結(jié)束時，通過FPGA再發(fā)送一個update clock信號，然后就把I/O緩存中的清零數(shù)據(jù)送入了可編程寄存器中。
3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
3.1 電源和時鐘設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中，采用線性電源LT1764進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，把5 V轉(zhuǎn)成3.3 V和1.5 V，為FPGA和AD9854等芯片提供電源。濾波電容分為旁路電容和去耦電容。旁路電容把前級攜帶的高頻雜波濾去，還可以有效地旁路地和電源上的地彈噪聲。旁路電容一般容值都比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1μF和0.01μF。去耦電容也稱退耦電容，是把輸出信號的干擾作為濾除的對象。去耦電容一般比較大，取值為47μF和10μF。如圖2所示。
時鐘電路與FPGA的電源面要隔離開(可以在同一個層)，只通過鐵氧體磁珠(ferritebead)相連。鐵氧體磁珠在低頻時阻抗很低，而在高頻時阻抗很高，可以抑制高頻干擾，這樣外面的高頻干擾不會影響時鐘芯片，而時鐘芯片內(nèi)部產(chǎn)生的振蕩信號也不會影響到外面的電路。時鐘部分的地和整個PCB的地是一個統(tǒng)一的整體，不要分割。
在時鐘芯片的電源引腳處放一個容值為10μF的鉭電容，不僅可以防止由于電壓波動引起的電流涌動，還可以抑制低頻干擾;同時大電容的后面并聯(lián)一個0.1μF的小電容，且所放的位置要盡可能地靠近電源引腳，這樣可以減小外來的電源噪聲。在靠近時鐘輸出的引腳要串接一個50 Ω的電阻以減小輸出電流，提高時鐘波形的質(zhì)量。時鐘線盡量少使用過孔，因?yàn)檫^孔使阻抗發(fā)生變化，影響信號的質(zhì)量，進(jìn)而產(chǎn)生EMI輻射和抖動問題。
3.2 存儲模塊設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中，采用FLASH和SRAM作為存儲器。FLASH主要用于存儲波形文件，掉電時，數(shù)據(jù)也不會丟失。而SRAM是做高速數(shù)據(jù)緩存的，掉電后數(shù)據(jù)會丟失。首先FPGA從FLASH中讀取波形文件，然后再存儲到SRAM中，需要這些波形數(shù)據(jù)時候，再從SRAM中去讀取。這樣的設(shè)計(jì)是因?yàn)镕LASH的讀/寫速度比較慢，而SRAM的讀/寫速度比較快。但是FLASH中的數(shù)據(jù)掉電不會丟失，而SRAM中的數(shù)據(jù)掉電要丟失。
3.3 放大及濾波電路設(shè)計(jì)
為了提高DDS信號產(chǎn)生系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，同時實(shí)現(xiàn)AD9854芯片內(nèi)嵌數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的電流轉(zhuǎn)換，需要在其后加入運(yùn)算放大器(見圖3)。該運(yùn)算放大器性能的好壞將決定信號的輸出質(zhì)量及系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。由于方案中信號輸出的最高頻率為120 MHz，所以應(yīng)保證放大器在較高頻率范圍內(nèi)具有很好的線性度，防止放大器自激。根據(jù)頻率源的設(shè)計(jì)要求，該方案中的放大器模塊應(yīng)滿足以下要求：放大器的增益可調(diào)、放大器的帶寬應(yīng)大于120 MHz、輸出帶載能力強(qiáng)、信號輸出質(zhì)量較好。綜合以上要求，選擇ADI公司的寬帶運(yùn)算放大器AD8014作為放大器模塊的核心器件。AD8014的主要性能特點(diǎn)有：低功耗;穩(wěn)定增益G=1;高速，Slew Rate 4 000 V/μs，24 ns的建立時間;
在該方案中，放大電路采用串連電壓負(fù)反饋-反相比例放大電路。
采用串聯(lián)電壓負(fù)反饋將使放大器的輸入阻抗增大，輸出阻抗減小，提高電路輸出信號的帶負(fù)載的能力。在電路中，反饋電阻R16采用可調(diào)電阻，使電路的增益可調(diào);同時在放大器的正、負(fù)電源輸入端加電容去藕濾波電路，以減小電源紋波對放大器的影響。
根據(jù)AD8014的要求，在進(jìn)行PCB布線時，需在其周圍均鋪上了地網(wǎng);但是，為了降低寄生電容對電路輸入的影響，其輸入腳附近沒有鋪地。在進(jìn)行器件布局時，反饋電阻R16應(yīng)盡量靠近AD8014的反向輸入端。
為使中頻模擬器有較好的通用性，而雷達(dá)中頻變化范圍較寬，考慮到在濾除諧波分量的同時要盡可能減少相位的不連續(xù)性，因此設(shè)計(jì)了一個帶寬為40MHz的9階無源低通濾波器。
4 FPGA實(shí)現(xiàn)
4.1 FPGA設(shè)計(jì)概述
FPGA用于建立與DDS芯片(AD9854)，F(xiàn)LASH(E28F128J3A)以及SRAM(IS61LV10248)之間的聯(lián)系，主要負(fù)責(zé)以下兩個方面：
(1)發(fā)送DDS控制字并控制DDS芯片的時序;
(2)控制存儲芯片的時序，并發(fā)送或讀取所要存儲的波形數(shù)據(jù)。FPGA內(nèi)部采用原理圖和Verilog HDL相結(jié)合的方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。
下面重點(diǎn)介紹DDS控制部分的實(shí)現(xiàn)。
4.2 DDS控制模塊
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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