??? 摘 要: 討論了DDS的工作原理及性能特點,介紹了目前實現DDS常用的三種技術方案,并對各方案的特點作了簡單的說明。?
??? 關鍵詞: 直接數字頻率合成器? 相位累加器" title="相位累加器">相位累加器? 信號源? 現場可編程" title="可編程">可編程門陣列?
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??? 1971年,美國學者J.Tierney等人撰寫的“A Digital Frequency Synthesizer”—文首次提出了以全數字技術,從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當時的技術和器件水平,它的性能指標尚不能與已有的技術相比,故未受到重視。近10年間,隨著微電子技術的迅速發展,直接數字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS或DDFS)得到了飛速的發展,它以有別于其它頻率合成方法的優越性能和特點成為現代頻率合成技術中的姣姣者。具體體現在相對帶寬寬、頻率轉換時間短、頻率分辨率" title="頻率分辨率">頻率分辨率高、輸出相位連續、可產生寬帶正交信號及其他多種調制信號、可編程和全數字化、控制靈活方便等方面,并具有極高的性價比。?
1 DDS基本原理及性能特點?
??? DDS的基本原理是利用采樣定理,通過查表法產生波形。DDS的結構有很多種,其基本的電路原理可用圖1來表示。?
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??? 相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯構成。每來一個時鐘脈沖fs,加法器將頻率控制字" title="控制字">控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數據相加,把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端,以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣,相位累加器在時鐘作用下,不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出,相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時,把頻率控制字累加一次,相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位,相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。?
??? 用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址,這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值(二進制編碼)經查找表查出,完成相位到幅值轉換。波形存儲器的輸出送到D/A轉換器,D/A轉換器將數字量形式的波形幅值轉換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量,以便輸出頻譜純凈的正弦波" title="正弦波">正弦波信號。?
??? DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、高分辨力、相位連續性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平,為系統提供了優于模擬信號源的性能。?
??? (1)輸出頻率相對帶寬較寬?
??? 輸出頻率帶寬為50%fs(理論值)。但考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號雜散的抑制,實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fs。?
??? (2)頻率轉換時間短?
??? DDS是一個開環系統,無任何反饋環節,這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。事實上,在DDS的頻率控制字改變之后,需經過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加,才能實現頻率的轉換。因此,頻率轉換的時間等于頻率控制字的傳輸時間,也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高,轉換時間越短。DDS的頻率轉換時間可達納秒數量級,比使用其它的頻率合成方法都要短數個數量級。?
??? (3)頻率分辨率極高?
??? 若時鐘fs的頻率不變,DDS的頻率分辨率就由相位累加器的位數N決定。只要增加相位累加器的位數N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前,大多數DDS的分辨率在1Hz數量級,許多小于1mHz甚至更小。?
??? (4)相位變化連續?
??? 改變DDS輸出頻率,實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量,相位函數的曲線是連續的,只是在改變頻率的瞬間其頻率發生了突變,因而保持了信號相位的連續性。?
??? (5)輸出波形的靈活性?
??? 只要在DDS內部加上相應控制如調頻控制FM、調相控制PM和調幅控制AM,即可以方便靈活地實現調頻、調相和調幅功能,產生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外,只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數據,就可以實現各種波形輸出,如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當DDS的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數表時,既可得到正交的兩路輸出。?
??? (6)其他優點?
??? 由于DDS中幾乎所有部件都屬于數字電路,易于集成,功耗低、體積小、重量輕、可靠性高,且易于程控,使用相當靈活,因此性價比極高。?
??? DDS也有局限性,主要表現在:?
??? (1)輸出頻帶范圍有限?
??? 由于DDS內部DAC和波形存儲器(ROM)的工作速度限制,使得DDS輸出的最高頻率有限。目前市場上采用CMOS、TTL、ECL工藝制作的DDS芯片,工作頻率一般在幾十MHz 至400MHz左右。采用GaAs工藝的DDS芯片工作頻率可達2GHz左右。?
??? (2)輸出雜散大?
??? 由于DDS采用全數字結構,不可避免地引入了雜散。其來源主要有三個:相位累加器相位舍位誤差造成的雜散;幅度量化誤差(由存儲器有限字長引起)造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散。?
2 實現DDS的三種技術方案?
2.1 采用高性能DDS單片電路的解決方案?
??? 隨著微電子技術的飛速發展,目前市場上性能優良的DDS產品不斷推出,主要有Qualcomm、AD、 Sciteg和Stanford等公司單片電路(monolithic)。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368,其中Q2368的時鐘頻率為130MHz,分辨率為0.03Hz,雜散控制為-76dBc,變頻時間為0.1μs;美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列:AD9850、AD9851、可以實現線性調頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調制器AD9853、數字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列產品以其較高的性能價格比,目前取得了極為廣泛的應用。AD公司的常用DDS芯片選用列表見表1。下面僅對比較常用的AD9850芯片作一簡單介紹。?
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??? AD9850是AD公司采用先進的DDS技術,1996年推出的高集成度DDS頻率合成器,它內部包括可編程DDS系統、高性能DAC及高速比較器,能實現全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發生器。接上精密時鐘源,AD9850可產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波可直接用作頻率信號源或轉換成方波用作時鐘輸出。AD9850接口控制簡單,可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數據。32位頻率控制字,在125MHz時鐘下,輸出頻率分辨率達0.029Hz。先進的CMOS工藝使AD9850不僅性能指標一流,而且功耗少,在3.3V供電時,功耗僅為155mW。擴展工業級溫度范圍為-40～+85攝氏度,其封裝是28引腳的SSOP表面封裝。?
??? AD9850采用32位相位累加器,截斷成14位,輸入正弦查詢表,查詢表輸出截斷成10位,輸入到DAC。DAC輸出兩個互補的模擬電流,接到濾波器上。調節DAC滿量程輸出電流,需外接一個電阻Rset,其調節關系是Iset=32(1.248V/Rset),滿量程電流為10～20mA。?
2.2 采用低頻正弦波DDS單片電路的解決方案?
??? Micro Linear公司的電源管理事業部推出低頻正弦波DDS單片電路ML2035以其價格低廉、使用簡單得到廣泛應用。ML2035特性:(1)輸出頻率為直流到25kHz,在時鐘輸入為12.352MHz時頻率分辨率可達到1.5Hz(-0.75～+0.75Hz),輸出正弦波信號的峰-峰值為Vcc;(2)高度集成化,無需或僅需極少的外接元件支持,自帶3～12MHz晶體振蕩電路;(3)兼容的3線SPI串行輸入口,帶雙緩沖,能方便地配合單片機使用;(4)增益誤差和總諧波失真很低。?
??? ML2035為DIP-8封裝,各引腳功能如下:?
??? (1)Vss:-5V電源;?
??? (2)SCK:串行時鐘輸入,在上升沿將串行數據鎖入16位移位寄存器;?
??? (3)SID:串行數據輸入,該串行數據為頻率控制字,決定6腳輸出的頻率;?
??? (4)LATI:串行數據鎖存,在下降沿將頻率控制字鎖入16位數據鎖存器;?
??? (5)Vcc:+5V電源;?
??? (6)Vout:模擬信號輸出;?
??? (7)GND:公共地,輸入、輸出均以此點作為參考點;?
??? (8)CLK IN:時鐘輸入,可外接時鐘或石英晶體。?
??? ML2035生成的頻率較低(0～25kHz),一般應用于一些需產生的頻率為工頻和音頻的場合。如用2片ML2035產生多頻互控信號,并與AMS3104(多頻接收芯片)或ML2031/2032(音頻檢波器)配合,制作通信系統中的收發電路等。?
??? 可編程正弦波發生器芯片ML2035設計巧妙,具有可編程、使用方便、價格低廉等優點,應用范圍廣泛。很適合需要低成本、高可靠性的低頻正弦波信號的場合。?
??? ML2037是新一代低頻正弦波DDS單片電路,生成的最高頻率可達500kHz。?
2.3 自行設計的基于FPGA芯片的解決方案?
??? DDS技術的實現依賴于高速、高性能的數字器件。可編程邏輯器件以其速度高、規模大、可編程,以及有強大EDA軟件支持等特性,十分適合實現DDS技術。Altera是著名的PLD生產廠商,多年來一直占據著行業領先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性價比的優點,此外它還提供了功能全面的開發工具和豐富的IP核、宏功能庫等,因此Altera的產品獲得了廣泛的應用。Altera的產品有多個系列,按照推出的先后順序依次為Classic系列、MAX(Multiple Array Matrix)系列、FLEX(Flexible Logic Element Matrix)系列、APEX(Advanced Logic Element Matrix)系列、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等。?
??? Max+plusII是Altera提供的一個完整的EDA開發軟件,可完成從設計輸入、編譯、邏輯綜合、器件適配、設計仿真、定時分析、器件編程的所有過程。QuartusII是Altera近幾年來推出的新一代可編程邏輯器件設計環境,其功能更為強大。?
??? 用Max+plusII設計DDS系統數字部分最簡單的方法是采用原理圖輸入。相位累加器調用lmp_add_sub加減法器模塊,相位累加器設計的好壞將直接影響到整個系統的速度,采用流水線技術能大幅度地提升速度。波形存儲器(ROM)通過調用lpm_rom元件實現,其LPM_FILE的值*.mif是一個存放波形幅值的文件。波形存儲器設計主要考慮的問題是其容量的大小,利用波形幅值的奇、偶對稱特性,可以節省3/4的資源,這是非常可觀的。為了進一步優化速度的設計,可以選擇菜單Assign|Global Project Logic Synthesis的選項Optimize10(速度),并設定Global Project Logic Synthesis Style為FAST,經寄存器性能分析最高頻率達到100MHz以上。用FPGA實現的DDS能工作在如此之高的頻率主要依賴于FPGA先進的結構特點。?
??? 雖然有的專用DDS芯片的功能也比較多,但控制方式卻是固定的,因此不一定是我們所需要的。而利用FPGA則可以根據需要方便地實現各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能,具有良好的實用性。就合成信號質量而言,專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝,內部數字信號抖動很小,可以輸出高質量的模擬信號;利用FPGA也能輸出較高質量的信號,雖然達不到專用DDS芯片的水平,但信號精度誤差在允許范圍之內。?
??? DDS問世之初,構成DDS元器件的速度的限制和數字化引起的噪聲這兩個主要缺點阻礙了DDS的發展與實際應用。近幾年超高速數字電路的發展以及對DDS的深入研究,DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當的水平。隨著這種頻率合成技術的發展,現已廣泛應用于通訊、導航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現代化的儀器儀表工業等領域。?
參考文獻?
1 高玉良,李延輝,俞志強.現代頻率合成與控制技術.北京:?航空工業出版社, 2002?
2 潘 松,黃繼業編著.EDA技術實用教程.北京:科學出版社,?2002?
3 鐘將為,石衛華,董德存.可編程正弦波發生器芯片ML2035的原理及應用.微型機與應用,2003(3)?
4 Altera Corporation. Altera Digital Library 2002.?
5 Analog Devices Inc. Designers Reference Manual 2002.?