数模转换芯片AD9772A的特点及其应用
数模转换芯片ad9772a的特点及其应用
在介绍数模转换芯片ad9772a的基础上，详细描述了ad9772a的两大特点。结合实际工程，给出了芯片的一种应用方案，提供了一些调试经验。
关键词：数模转换，锁相环，内插滤波，wcdma
ad9772a是adi公司推出的一款高速、宽带的数模转换器（dac），采用单电源供电、内插过采样，最高支持160 msps的输入数据速率。在提供充分动态输入范围情况下，可以最优的重构产生基带和中频波形。cmos工艺制造，片内集成了带有2倍内插滤波器和锁相环路的低失真dac，锁相环路提供了所有片内所需时钟和控制信号。基于外部稳定时钟源考虑，ad9772a为时钟提供了灵活的输入管脚，既可支持单端形式输入时钟，也可支持差分时钟输入；模拟输出也有两个差分电流输出管脚，为ad9772a应用拓宽了空间。
1 ad9772a内部结构
ad9772a内部模块依据功能可以划分为：时钟产生和控制模块，输入锁存模块，内插滤波模块，“零填充”模块，数模转换模块以及输出参考电路。图1是ad9772a的功能模块图。
1．1 时钟产生和控制模块
时钟产生和控制模块使用锁相环实现，主要为片内各个功能模块提供时钟和控制信号，环路的参数直接决定了数模转换的性能。
时钟产生和控制模块由差分输入，相位检测，环路滤波（外围电路配置），压控振荡器（vco），分频器和时钟分配模块组成。
依据输入数据速率，锁相环路有两种工作模式：当输入数据速率大于6 msps时，锁相环路工作，相应的管脚pllvdd＝vcc，pllcom＝gnd；当数据速率小于6 msps时，为了获得更高的相噪性能，不使用内部的锁相环路，相应的管脚pllvdd＝pllcom＝gnd。
无“零填充”时，参考时钟是输入数据速率的2倍；有“零填充”时，参考时钟是输入数据速率的4倍。对于qpsk调制来说，当使用内部锁相环时，锁相环路本身可以保证2个ad9772a芯片时钟和数据同步；不使用内部锁相环时，通过复位管脚（reset），能够实现2个ad9772a芯片时钟和数据同步。
锁相环典型的开机锁定时间是100 ms。
时钟产生和控制模块的环路滤波器和压控振荡器模块由pllvdd管脚统一供电，时钟差分输入、相位检测、分频器和时钟分配模块由clkvdd管脚统一供电，为了确保最优的环路相位噪声性能，在设计电路时，要保证pllvdd和clkvdd来自相同的“干净的”模拟电源。是否使用片内锁相环，可以通过配置pllvdd管脚实现，当使用内部锁相环路时，plllock表征环路是否锁定的信号，plllock电平为高，环路锁定；plllock电平处于高和低之间时，环路未锁定。当禁止内部锁相环路时，plllock提供了1倍内部时钟输出。
根据输入数据速率，分频器和时钟分配模块的控制管脚配置如表1所示。
1．2 内插滤波器
ad9772a内插滤波器是在两个原始抽样点之间插入1个零值，然后通过一个fir滤波器，插入的零点就可以还原为准确的内插值，提高了时域分辨率〔1〕。内插后的信号频谱为原始离散序列谱经2倍压缩后得到的谱，但是得到的频谱包含了有效频谱的高频镜像，根据ad9772a的应用环境，合适地选择低频频谱或高频镜像。如果保留高频镜像，输出信号频率提高了2倍，频谱结构没有变化，起到了上变频的作用。
ad9772a的fir滤波器采用43阶对称滤波器实现，阻带可以达到73 db的衰减。如果系统需要在宽带内获得更高的动态范围，ad9772a必须工作在基带方式下，相应的管脚mod0＝gnd，fir内插滤波器表现为低通特性，输入数据频谱到第一个镜像频谱的距离增加，有利于模拟低通滤波器的设计。基带模式下使用“零填充”，相应的管脚mod1＝vcc，虽然频谱的通带更加平坦，但是无杂散动态范围（sfdr）减小，阻带抑制不够，信噪比（snr）减小。ad9772a工作在中频模式下时，mod0＝vcc，fir内插滤波器表现为高通特性，当中频超过输入数据速率，必须使用“零填充”，增加通带的范围。
输入时钟经过信号产生和控制模块送给各个功能子模块，输入数据经过一级锁存，进入2倍内插滤波器和“零填充”，增加了dac的更新速度，使后继电路容易设计，内插和填充后的数据送入模数转换器，完成数字信号到模拟信号的变换。
2 ad9772a在wcdma发送电路中的应用
wcdma（宽带码分多址）系统基站发送物理信道多，数据动态范围较大，ad9772a提供了14位输入管脚、0．1db的带内波动、73db的带外衰减和高达74db的sfdr，通过与模拟低通滤波器的配合，能够获得失真和噪声性能很好的基带模拟信号，可以满足基带发射性能指标。ad9772a应用时，应该从系统的角度设计ad9772a的参数，这些参数包括：输入数据速率、时钟频率、复位信号、锁相环路、模式配置、分频比和参考电阻等。图4是wcdma基站部分发送电路功能框图。
2．1 电路设计
为了获得“干净”的基带信号，做印刷电路板（pcb）时，模拟电路部分和数字电路部分尽量集中，不能交叉布线。而ad9772a输入是数字信号，输出是模拟信号，芯片中同时存在数字电压、数字地、模拟电压和模拟地，芯片各个功能模块由不同电源供电，对这些信号处理时，要遵循以下原则：片内锁相环路工作时，pllvdd＝clkvdd＝3．1v～3．5v；dvdd1－2＝clkvdd±0．3v。
数模转换部分受电源纹波的影响较大，经过稳压器的电源一定要滤掉电源纹波后才可以加到dac的5个电源输入管脚。一般的措施是电源和相应地之间加几个不等值的滤波电容，滤掉不同频率的纹波。
2．2 输入数据速率和时钟频率
ad9772a的输入数据和时钟不仅仅要满足工作时序的要求，同时要根据后继电路设计参数以及系统要求的一些参数来决定。对于wcdma的bts（基站）基带发送电路来说，电路板上共有4类时钟资源，3．84 mhz，7．68 mhz，15．36 mhz，30．72 mhz。从频域看，内插滤波器的输出是以dac频率为周期频谱，π的位置是时钟频率，且dac频率为时钟频率的2倍，扩频信号的带宽为3．84 mhz。dac输出信号经过宽带运算放大器和模拟低通滤波器送给模拟调制模块。为了尽可能保留基带谱和有效抑制带外频谱，模拟低通滤波器选用sclf－5。sclf－5的通带截止频率是5 mhz，3 db带宽5．8 mhz，8 mhz～10 mhz内只能达到大于20 db的衰减，10 mhz～200 mhz内可以达到大于40 db的衰减，bts基带发送扩频信号的带宽是5 mhz。根据以上参数，选择时钟频率为15．36mhz。
2．3 内插滤波器对输入数据的要求
输入数据的动态范围不够时，例如，bpsk调制系统中，信号线、高电压和地三种资源如何分配到ad9772a的14位输入管脚，对重构模拟信号的周期频谱影响很大。主要原因是内插时，内插滤波器能否插出准确的值。当输入数据的最大值接近16383时，对两个输入数据最大值之间的插值就不能够通过内插滤波器得到，内插出现错误，重构信号频谱如图5所示。
上述仿真是在采样速率为15．36 mhz，信号带宽4．08 mhz的条件下获得的。第一个仿真图是输入数据的最大值太大时，输出信号的频谱。很显然，在周期频谱之间存在很大的能量谱，这部分谱经过模拟低通滤波器滤不掉，导致系统性能下降。第二个仿真图是输入数据的最大值适中时，输出信号的频谱，符合要求，模拟低通滤波器可以将基带谱提取出来。根据仿真结 果，输入数据没有丰富的动态范围时，要使其输入数据集中在中值附近，上下波动是最大值的1／4。
3 结束语
ad9772a最高支持160msps的数模转换速率，提供了宽广的动态输入范围，特别适合应用在宽带通信系统中。ad9772a采用48管脚的低四方扁平封装（lqfp），工业级温度系数，占用印刷电路板空间小，适应环境能力强。
ad9772a可以直接处理低中频信号，在软件无线电方面也有一定的应用。
参考文献
1 杨小牛，楼才艺，徐建良著．软件无线电原理与应用．北京：电子工业出版社，2002：21～26
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ad9772a是adi公司推出的一款高速、宽带的数模转换器（dac），采用单电源供电、内插过采样，最高支持160 msps的输入数据速率。在提供充分动态输入范围情况下，可以最优的重构产生基带和中频波形。cmos工艺制造，片内集成了带有2倍内插滤波器和锁相环路的低失真dac，锁相环路提供了所有片内所需时钟和控制信号。基于外部稳定时钟源考虑，ad9772a为时钟提供了灵活的输入管脚，既可支持单端形式输入时钟，也可支持差分时钟输入；模拟输出也有两个差分电流输出管脚，为ad9772a应用拓宽了空间。
1 ad9772a内部结构
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1．1 时钟产生和控制模块
时钟产生和控制模块使用锁相环实现，主要为片内各个功能模块提供时钟和控制信号，环路的参数直接决定了数模转换的性能。
时钟产生和控制模块由差分输入，相位检测，环路滤波（外围电路配置），压控振荡器（vco），分频器和时钟分配模块组成。
依据输入数据速率，锁相环路有两种工作模式：当输入数据速率大于6 msps时，锁相环路工作，相应的管脚pllvdd＝vcc，pllcom＝gnd；当数据速率小于6 msps时，为了获得更高的相噪性能，不使用内部的锁相环路，相应的管脚pllvdd＝pllcom＝gnd。
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ad9772a内插滤波器是在两个原始抽样点之间插入1个零值，然后通过一个fir滤波器，插入的零点就可以还原为准确的内插值，提高了时域分辨率〔1〕。内插后的信号频谱为原始离散序列谱经2倍压缩后得到的谱，但是得到的频谱包含了有效频谱的高频镜像，根据ad9772a的应用环境，合适地选择低频频谱或高频镜像。如果保留高频镜像，输出信号频率提高了2倍，频谱结构没有变化，起到了上变频的作用。
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上述仿真是在采样速率为15．36 mhz，信号带宽4．08 mhz的条件下获得的。第一个仿真图是输入数据的最大值太大时，输出信号的频谱。很显然，在周期频谱之间存在很大的能量谱，这部分谱经过模拟低通滤波器滤不掉，导致系统性能下降。第二个仿真图是输入数据的最大值适中时，输出信号的频谱，符合要求，模拟低通滤波器可以将基带谱提取出来。根据仿真结 果，输入数据没有丰富的动态范围时，要使其输入数据集中在中值附近，上下波动是最大值的1／4。
3 结束语
ad9772a最高支持160msps的数模转换速率，提供了宽广的动态输入范围，特别适合应用在宽带通信系统中。ad9772a采用48管脚的低四方扁平封装（lqfp），工业级温度系数，占用印刷电路板空间小，适应环境能力强。
ad9772a可以直接处理低中频信号，在软件无线电方面也有一定的应用。
参考文献
1 杨小牛，楼才艺，徐建良著．软件无线电原理与应用．北京：电子工业出版社，2002：21～26
基于四方电气V560矢量型变频器的恒张力主动放线控制系统浅析
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