工程师百问百答——高速电路设计之频率合成和时钟产生

在设计团队不断精益的今天,工程师不仅需要深厚的技术积淀,而且必须能够跨专业设计。从模拟到数字,从硬件电路到软件,样样精通,无所不能。ADI2013在线设计峰会,旨在帮助您在一个日益复杂、压力巨大的世界里简化设计。

这里,我们整理了系列峰会中,1015日举行的“高速系统的频率合成和时钟产生”中工程师提出的一些常见问题和实用问题解答分享给大家。


查看ADI 2013在线设计峰会相关研讨会视频及资料,请点击http://ezchina.analog.com/message/9778

 


基础知识问答

锁相环主要应用在哪些地方

主要用于频率合成的应用中,如收发信机的本振,仪器仪表的频率源等。

时钟芯片的主要应用领域是什么?

时钟芯片的主要应用领域,Low jitter, low phase noise clock distribution 10/40/100 Gb/sec networking line cards, including SONET, Synchronous Ethernet, Clocking high speed ADCs, DACs, DDSs, DDCs, DUCs, MxFEs High performance tranceiver, ATE and instrumentation


是不是此类芯片输出的都是方波?有没有正弦波?

锁相环芯片输出通常为正弦波信号;时钟专用芯片输出为方波时钟信号。


对于零点几Hz的环路带宽的ADPLL来说,其DCO/NCO用什么实现的?

均是芯片内部的组块,不再需要外加模块了。


ADC的采样时钟一般有什么要求?从晶振出来的需要加缓冲或驱动吗?

主要需要考虑驱动能力和抖动性能。加缓冲驱动器主要是为了增加驱动能力,并且可以提高始终信号压摆率。

锁相环和时钟芯片输出的波形是不是都是正弦波?

锁相环输出一般为正弦波,时钟专用芯片一般为时钟方波信号。

当时的PLL 的分频N怎么可以是小数,难道是数字位吗

其实分频器都是由数字计数器实现的,具体可以登陆ADI官网观看锁相环基础知识视频。

DDS参考源用的是低频还是高频?

通常使用高频率,但是目前ADI高速DDS内部具有参考倍频电路,因此低频也是可以的。

使用VCO时,输出频率跟VCO有什么关系

与调谐电压和压控灵敏度等相关。

PLL除了倍频外一般还具有分频功能吗?

有的,如ADF4007

PLL倍频,输出速率最高达到多少

目前最高频率可以到18GHz

PLL捕捉时间一般由哪些因素决定?

锁相环锁定时间通常由环路带宽,电荷泵电流等决定。

小数分频会产生累积误差吗?

锁相环的误差主要通过相位误差和频率误差进行衡量。

PLL出来的频率准确么?

对于输出频率来说是锁定的状态是准确的。通常锁相环输出误差由频率误差和相位误差进行衡量。

多高的频率下需要考虑使用DDSPLL

主要取决于应用需求。目前ADI的产品,DDS最高输出频率1.4GHzPLL最高可达到18GHz

提高鉴相频率,会对相位噪声产生怎样的影响

在输出频率一定时,提高鉴相频率一般会改善PLL的相位噪声,因为PLL贡献的噪声等于FOM + 10log (fPFD) +20logfout/fPFD)。

频率合成器PLL基准输入是一个稳定、无干扰的恒定频率信号吗?

一般应用是这样的。但是我们的时钟芯片有的应用到时钟去抖应用中,基准源本身质量可以不高,例如AD9557。

环路滤波器在实际调试时,怎么根据频谱的状态,调整环路参数?

一般根据相位噪声测试曲线,看环路滤波器带宽是否合适,与VCO开环噪声相比较。可以根据VCOPLL相位噪声交点,确定最合适的环路滤波器带宽。

DDS系统和其他系统优势在哪里?

首先,DDS具有极高的频率精度,例如AD9910,系统时钟为1GHz时,频率精度约为0.23Hz,用锁相环是很难实现这样的频率间隔的;第二,DDS具有非常好的频率灵活性,数字控制频率输出;第三,DDS具有扫频能力,并且有极快的跳频速度,例如AD9910的最短跳频时间为4ns,而锁相环变频时需要重新锁定,锁定时间通常为几十us至百us限制了其调频速度。第四,DDS可以进行频率、幅度和相位调制,改变频率输出时相位能保持连续。

DDS输出的的时钟是否要去耦之类的设计?

需要使用低通滤波器滤除镜频和时钟的倍频等杂谱。不需要去耦,去耦一般是直流上的一个概念。

倍频系统、分频系统是不是一种算法?

DDS是一个分频系统,包括参考时钟部分、相位累加器、相位到幅度的转换单元、以及DAC。主要是硬件组成了系统。

Top Replies

    •  Analog Employees 
    on Nov 6, 2013 8:14 AM

    关于设计工具与方法

    有没有DDSDA输出后的低通滤波器的设计工具?

    一般客户可以使用AgilentADS软件方便设计。这里也有滤波器设计工具:可登录页面:http://www.microwaves101.com/content/downloads.cfm 下载滤波器设计工具Download Vlad's filter calculator (申明:该工具与本公司无任何关联,建议实验后再用于产品上)

    DDSDA输出后的低通滤波器应当如何设计?

    一般客户可以使用AgilentADS软件方便设计。这里也有滤波器设计工具:可登录页面:http://www.microwaves101.com/content/downloads.cfm 下载滤波器设计工具Download Vlad's filter calculator (申明:该工具与本公司无任何关联,建议实验后再用于产品上)

    PLLDDS用什么仿真工具比较好?

    PLL您可以使用ADIsimPLL,可以从ADI官网下载。DDS您可以使用ADIsimDDS

    关于PLL的外围电路ADI有提供参考么?

    外围电路的设计通常可参考评估板设计。此外,推荐您使用ADIsimPLL,输入您的设计参数,ADIsimPLL可以帮您设计外围电路并仿真。ADIsimPLL可以从ADI官网免费下载。

    •  Analog Employees 
    on Nov 6, 2013 8:15 AM

    性能比较及兼容


    采用DDS产生信号与FPGA产生信号有啥区别?DDS芯片有啥优势?

    DDS的相位噪声低,抖动性能小,单颗芯片即可输出频率,可由软件方便控制输出频率。FPGA外部还需要DAC,算法复杂。

    传统晶振与DDS相比,差在哪里

    最大的区别是晶体振荡器只能产生固定频率,DDS可以进行扫频和跳频等应用。

    如果要产生一个信号,采用专用的时钟芯片好还是采用FPGA好?

    时钟芯片主要优点是抖动低,信号质量高,使用简单

    FPGA产生信号和用专用芯片产生信号有什么区别?

    专用芯片使用简单,抖动低,噪声低,PCB面积小和成本低

    PLL相比较来说DDS有何优势?

    DDS应用于捷变频,扫频,跳频,和高变频分辨率应用中;PLL应用于产生高频率信号。具体请参考研讨会slides

    可以用DSP实现DDS技术,并且和PLL芯片相结合吗?

    可以的,但是这样使用较复杂。直接使用DDS芯片就可以了。

    DDSPLL应用中可否兼容??

    可以兼容,有时候在频率合成复杂的系统中合起来使用,提高频率输出范围和减小步进频率。

    时钟、PLLDDS芯片输出的是方波还是正弦波啊?

    时钟芯片输出各种电平的波形,常用的有CMOSLVDSLVPECL等电平。PLLDDS芯片一般输出正弦波。当然,有些DDS可输出三角波、方波,例如AD9837AD9838

    PLL的性能是不是要比DDS的好一些?它们哪些地方不一样?

    基本的频率合成方法有直接数字频率合成和锁相环频率合成。首先,DDS具有极高的频率精度,例如AD9910,系统时钟为1GHz时,频率精度约为0.23Hz,用锁相环是很难实现这样的频率间隔的;第二,DDS具有非常好的频率灵活性,数字控制频率输出;第三,DDS具有扫频能力,并且有极快的跳频速度,例如AD9910的最短跳频时间为4ns,而锁相环变频时需要重新锁定,锁定时间通常为几十us至百us限制了其调频速度。但是,DDS输出频率不高,在1GHz的时钟时,最大输出400MHz左右的正弦波,而锁相环合成的频率很广

    既然有了DDS,为什么还需要PLL?

    PLL可以合成的频率更高,1GHz主频的DDS输出频率最高400MHz,而PLL的频率可以从几十MHz到十几GHz甚至几十GHz

    •  Analog Employees 
    on Nov 6, 2013 8:16 AM

    方法、技巧及其它


    DDS主要控制字有哪些?

    一般有频率控制字,幅度控制字,相位控制字,功能控制字。您可以下载AD9910的评估软件和数据手册,软件可以帮助您熟悉这些寄存器,数据手册上有详细的描述。

    在用应用DDS, 需要注意什么,制作电路板时,有什么要求吗?

    需要注意哪些噪声对DDS会造成影响,例如参考源、电源、地、电路其他芯片。

    DDS应用中的杂散控制有什么技巧?

    请参考应用笔记《确定杂散来源是DDS/DAC还是其他器件(例如开关电源)http://www.analog.com/static/imported-files/zh/application_notes/AN-927_cn.pdf

    使用AD高速芯片时一些无关引脚的如何处理才合理?

    具体的芯片需要具体分析,主要看数据手册引脚描述。您可以参考这个例子:没有使用AD951xCLK输入,可以悬空吗? 答,功能上是可以悬空的。但是通常来说,建议将CLKCLKB引脚通过0.01uF的电容接到DC电源或地上。这样可以防止外部的噪声耦合到器件中。将CLKCLKB引脚AC到地。

    杂散电平依托滤波器可以滤的很漂亮么?

    有些杂散是可以通过滤波器滤除的,有些是不可以的,需要通过合理的频率规划规避。

    DDS的高精度对外部噪声的要求是不是很高?在设计布局上与其余信号要完全隔离吗?

    是的,我们要选择低噪声的电源,隔离高噪声的芯片。但是,不需要完全隔离,要防止电源上、地上等电路板其他部分的噪声源干扰到DDS

    设计高速频率合成的PCB时有什么要特别注意的吗?

    对于PCB设计建议您参考具体产品的PCB设计,ADI都会提供产品评估板的Gerber文件。

    请问在DDS的设计中,输出端的滤波器有什么设计技巧吗?有没有什么可以作为设计参考?

    输出滤波器的作用基本有两个,可以将电流输出转换为电压信号;还有就是滤除谐波和杂散。可以参考评估板设计。

    如何提高鉴相频率?

    通常可以通过使用高频率参考源和低R分频数实现。

    锁相环有哪些参数指标需要关注?

    主要有输入参考频率,输出频率,信道间隔,锁定时间,相噪性能,杂散性能等。

    DAC输出不同频率正弦波时需要改变输出滤波器参数吗?

    高速DAC输出端滤波器的最基本功能有两个,一个是将输出电流信号转换为电压信号;另一个是滤除谐波和杂散等干扰。因此输出不同频率时,应将滤波器设计的适合滤除大部分谐波和杂散。

    •  Analog Employees 
    on Nov 6, 2013 8:17 AM

    ADI产品及应用

    混频器的本振能否用AD9517

    也可以的,但是一般用ADF41xx系列的PLL芯片。


    DDS输出的是正弦波,怎么可以作为FPGA的时钟呢?这不是矛盾吗?

    也可以输出方波的DDS,例如AD9834AD9833AD9837AD9838。


    有什么好的介绍控制DDS杂散的应用笔记可以推荐一下吗?

    AN-927讲解了杂散来源,以及如何判断杂散原因,如何排除,请点击《确定杂散来源是DDS/DAC还是其他器件(例如开关电源)http://www.analog.com/static/imported-files/zh/application_notes/AN-927_cn.pdf


    要设计20MHz~2GHz的频率合成器 ADI都哪些芯片呢?

    您好!集成VCO的锁相环产品,目前没有这么宽范围的,最宽范围的是ADF4351,最高频率可以到4.4GHz,但是低频只能到35MHz。如果不集成VCO的话,那么最大挑战应该是几乎没有VCO可以覆盖这么宽的范围。因此想要产生20MHz~2GHz信号,可以考虑使用锁相环产生高频频率,通过分频器分频产生。


    推荐几款常用固定分频器件的型号

    不太确定您的输入频率和输出频率,通常固定分频器产品为ADF500X系列产品。


    请问一下,项目用到扫频,中心频率在10Mhz,扫频范围为9.5Mhz~~10.5Mhz,频率步长100Hz,请问采用那款DDS适合?

    您可以考虑使用AD985X系列产品。


    怎么分频啊?用什么芯片?

    DDS 有分频的功能,例如DDS可以输入1GHz,输出0~400MHz的任何频率,有软件控制。PLL有倍频的功能。当然我们也有专用的固定分频器件,例如ADF5000 ADF5001, ADF5002


    ADI目前能够做到的最高速的时钟频率是多高?

    集成VCO的时钟芯片输出频率较高的是2~3GHzPLL芯片输出的频率取决于VCO频率和反馈RF输入频率ADF41020可以到18GHz

    •  Analog Employees 
    on Jan 22, 2014 8:06 AM

    研讨会上的演讲稿,请见附件


    attachment.pdf