直接数字频率合成器(DDS)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,直接数字频率合成技术(DDS),东南大学 无线电系,束海泉,Tel:83792479,比赛中用到的波形发生器,波形是信息和能量的载体,它无处不在.,历来的賽题中,绝大局部都直接和间接地与波形发生器有关.例如:,1,要求制作一个信号源,如第二届的实用信号源的设计和制作,第六届的射频振荡器制作,第五届的“波形发生器等,2,賽题中,需要用到信号源,如数据采集,无线电接收,元件参数测试仪,频率计,频率特性测试仪等.,DDS技术是一种先进的波形产生技术,已经在实际中获得广泛应用,在比赛中也应该优先考虑采用.,频率综合技术概述,频率可变的振荡源,通过改变R,L,C元件参数改变正弦振荡的频率,通过改变充放电电流改变振荡频率,改变R,改变L,改变C,改变电流,压控振荡器VCO,用斜波扫描电压(流)控制产生扫频振荡器,用于频率稳定度和精度仪器不高的场合,频率合成技术,间接合成法-锁相环 PLL,直接,模拟,合成法(早期的直接合成法)-,通过模拟电路实现多级的连续,混频,分频,获得很小的频率步进,电路复杂,不易集成,直接,数字,合成法-DDS,VCO,-,用电压(流)控制振荡频率,改变R,改变L,改变C,改变电流,频率综合技术概述,开环,VCO,的频率稳定度和频率精度较低,PLL,使输出频率的稳定度和精度,接近参考振荡源(通常用晶振),PLL框图如下:,PLL的构成,在反响环路中插入频率运算功能,即可改变PLL的输出频率.,有三种频率运算方式:,倍频,分频,混频,分别进行频率的 ,运算,上述运算由模拟和数字电路混合实现,由数字鉴相器,数字分频器,压控振荡器和,模拟环路滤波器组成.,输出频率分别为参考频率的 N倍,1/N,FL,PLL,为了使输出频率有,更高的分辨率,常用到多环频率合成和小数分频等技术.,随着频率分辨率的提高,PLL的锁定时间也越长,频率变化越,慢,.,DDS,1971年,由J.Tierney 和 等人在,“A Digital Frequency Synthesizer一文中首次提出了DDS的概念,DDS或DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称,通常将此视为第三代频率合成技术.,它突破了前两种频率合成法的原理,从相位的概念出发进行频率合成.,这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位.,还可以用DDS方法产生任意波形(AWG),DDS原理,工作过程为:,1,将存于数表中的,数字波形,经数模转换器,D/A,形成模拟量波形.,2,两种方法可以改变输出信号的频率:,(1),改变,查表寻址,的,时钟CLOCK的,频率,可以改变输出波形的频率.,(2),改变,寻址的,步长,来改变输出信号的频率.DDS即采用此法.,步长即为对数字波形查表的相位增量.由累加器对相位增量进行累加,累加器的值作为查表地址.,3,D/A输出的阶梯形波形,经低通(带通),滤波,成为质量符合需要的,模拟波形,.,累加器的工作示意图,设相位累加器的位宽为2N,Sin表的大小为2p,累加器的高P位用于寻址Sin表.,时钟Clock的频率为fc,假设累加器按步进为1地累加直至溢出一遍的频率为,假设以M点为步长,产生的信号频率为,M称为频率控制字,该DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位存放器组成，每来一个时钟，相位存放器以步长增加，相位存放器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0360o 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC，输出模拟量。相位存放器每经过2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出正弦波周期为,频率为,频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：,其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。由取样定理，所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33%,以防止混叠或谐波落入有用输出频带内。,在图中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。DAC分辨率一般比查询表长度小24位。,通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为,这个增量也就是最低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所以有,与PLL不同,DDS的输出频率可以,瞬时,地改变,即可以实现,跳频,，这是DDS的一个突出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。,DDS,这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前，,其工作速度主要受D/A变换器的限制。利用正弦信号的,相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信,号的瞬时幅值，从而实现频率合成。,DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细,的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可,方便实现各种调制等优越性能。,但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度,DDS的频率上限目前还只能到达数百兆,限制了在某些,领域的应用。,AD9830,芯片特性,+5V电压供电,50MHz频率,片内正弦查询表,片内10位数模转换器,并行数据接口,掉电功能选择,250mW功耗,48引脚薄方扁封装TQFP,DDS的信号质量分析,取样系统信号的频谱,镜像频率分量为60dB，而其他各种杂散分量,分布在很宽的频带上，其幅值远小于镜像频率分量。,D/A之后用的低通滤波器可用来滤去镜像频率分量，,谐波分量和带外杂散分量。第一个镜像频率分量,最靠近信号频率，且幅度最大，实际应用时，,应尽量提高采样时钟频率，使该分量远离低通,滤波器的带宽,以减少低通滤波器的制作难度。,DDS的信号质量分析,DDS信号源的性能指标：,1,频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。,2,频率的值的精度，决定于DDS的相位分辨率。即由DDS的相位累加器的字宽和ROM函数表决定。此题要求频率按10Hz步进，频率值的误差应远小于10Hz。DDS可到达很高的频率分辨率。,3,失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分可分为以下几个局部：,，采样信号的镜像频率分量。DDS信号是由正弦波的离散采样值的数字量经D/A转换为阶梯形的模拟波形的，当时钟频率为，输出正弦波的频率为时，存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像频率分量，这些镜像频率值为n它们的幅度沿Sin(x)/x包络滚降。其输出信号的频谱如图6。19所示。,D/A的字宽决定了它的分辨率，它所决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表示为,S/D+N=6.02B+1.76 dB,其中B为D/A的字宽，对于10位的D/A，信噪比可到达60dB以上。,增加D/A的位数，可以减少波形的幅值离散噪声。另外，采用过采样技术，即大幅度增加每个周期中的样点数提高时钟频率，也可以降低该类噪声。过采样方法使量化噪声的能量分散到更宽的频带，因而提高了信号频带内的信噪比。,相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的ROM表样点数有限而造成的。通过提高时钟频率或采用插值的方法增加每个周期中的点数过采样，可以减少这些杂波分量。,D/A转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在N频率处。这些杂波分量的幅度较小。,，其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。,D/A后面的低通滤波器可以滤去镜像频率分量和谐波分量，可以滤去带外的高频杂散分量，但是，无法滤去落在低通带内的杂散分量。,DDS的信号质量分析,最高电压杂散信号,f,spur出现在频谱,f=,fc,-,f,0 时，它限制着输出频率范围的上限。最大杂散信号边带与信号功率之比为,满量程时，对信号的信噪比影响可表示为,其中最主要的是相位截断误差带来的噪声,DDS的优点与缺乏,1输出频率相对带宽较宽,输出频率带宽为50%fs理论值。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能到达40%fs。,2频率转换时间短,DDS是一个开环系统，无任何反响环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的传输，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。,3频率分辨率极高,假设时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就是那么相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mHz甚至更小。,4相位变化连续,改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。,5输出波形的灵活性,只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。,6其他优点,由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。,DDS也有,局限性,，主要表现在：,1输出频带范围有限,由于DDS内部DAC和波形存储器ROM的工作速度限制，使得DDS输出的最高频有限。目前市场上采用CMOS、TTL、ECL工艺制作的DDS工习片，工作频率一般在几十MHz至400MHz左右。采用GaAs工艺的DDS芯片工作频率可达2GHz左右。,2输出杂散大,由于DDS采用全数字结构，不可防止地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差由存储器有限字长引起造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。,目前DDS芯片的生产公司,Qualcomm公司,单片电路。Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，,其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1s;,Sciteg,ADS-431,1.6GHz,分辨率1Hz,杂散-45dB,可正交输出,Stanford,Micro Linear公司,ML2035,特性：1输出频率为直流到25kHz，在时钟输入为12.352MHz野外频率分辨率可到达1.5Hz-0.75+0.75Hz，输出正弦波信号的峰-峰值为Vcc；2高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持，自带312MHz晶体振荡电路；3兼容的3线SPI串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机使用；4增益误差和总谐波失真很低。,ML2035生成的频率较低025kHz，一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。如用2片ML2035产生多频互控信号，并与AMS3104多频接收芯片或ML2031/2032音频检波器配合，制作通信系统中的收发电路等。,ML2037是新一代低频正弦波DDS单片电路，生成的最高频可达500kHz。,AD公司的产品,型 号,最大工作(MHz),工作电压（V）,最大功耗（mw),备 注,AD9832,25,3.3/5,120,小型封装，串行输入，内置D/A转换器。,AD9831,25,3.3/5,120,低电压，经济，内置D/A转换器。,AD9833,25,2.55.5,20,10个管脚的uSOIC封装。,AD9834,50,2.55.5,25,20个管脚