DDS電路基礎課件

7.1DDS電路基礎直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）是將先進的數(shù)字處理理論與方法引入頻率合成的一項新技術(shù)，DDS把一系列數(shù)字量形式的信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號。7.1.1DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）

基本原理與結(jié)構(gòu)DDS有兩種基本合成方式：一種是根據(jù)正弦函數(shù)關系式，按照一定的時間間隔利用計算機進行數(shù)字遞推關系計算，求解瞬時正弦函數(shù)幅值并實時地送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，從而合成出所要求頻率的正弦波信號。這種合成方式具有電路簡單、成本低、合成信號頻率的分辨率可做得很高等優(yōu)點，但由于受計算機速度的限制，合成信號頻率較低，一般在幾千赫茲左右；另一種合成方式是用硬件電路取代計算機的軟件運算過程，即利用高速存儲器將正弦波的M個樣品存在其中，然后以查表的方式按均勻的速率把這些樣品輸入到高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，變換成所設定頻率的正弦波信號，這種合成方式由于采用高速存儲器產(chǎn)生正弦波幅值數(shù)據(jù)，因此合成頻率已可以做得很高，目前已達到數(shù)百兆赫。這就是目前使用最廣泛的一種DDS頻率合成方式。對于一個周期的正弦連續(xù)信號，可以沿其相位軸方向，以等量的相位間隔對其進行相位-幅值取樣，得到一個周期的正弦波信號的離散相位幅值序列。然后，根據(jù)合成波形的精度要求，采用接近的整數(shù)值表示其相應的幅值序列。即對模擬幅值進行量化，量化后的幅值采用相應的二進制數(shù)據(jù)進行編碼。這樣就把一個周期的正弦波連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成一系列離散的二進制表示的數(shù)字量，然后通過一定的方法固化在只讀存儲器中，每個存儲單元的地址就是相位取樣地址，存儲單元的內(nèi)容即是已經(jīng)量化的正弦波幅值。這樣的一只只讀存儲器就構(gòu)成了一個與0°～360°相位取樣相對應的正弦函數(shù)功能表，只要輸入相位地址，就可立即得到對應的正弦波幅值數(shù)據(jù)，從而取代了計算機對正弦函數(shù)關系的遞推運算。由于只讀存儲器的工作速度很高，從而合成信號頻率也就可以做高。所以，高速只讀正弦波波形存儲器是目前DDS頻率合成的核心單元?，F(xiàn)以正弦波為例進一步說明如下。在正弦波一周期（360°）內(nèi)，按相位劃分為若干等份，將各相位所對應的幅值A按二進制編碼并存入ROM。設=6°，則一周期內(nèi)共有60等份。由于正弦波對180°為奇對稱，對90°和270°為偶對稱，因此ROM中只需存0°～90°范圍內(nèi)的幅值碼。若以=6°計算，在0°～90°之間共有15等份，其幅值在ROM中占16個地址單元。因為24=16，所以可以按4位地址碼對數(shù)據(jù)ROM進行尋址?，F(xiàn)設幅值碼為5位，則在0°～90°范圍內(nèi)編碼關系見表7.1.1。設基準時鐘的頻率為固定值fc在時鐘的作用下，如果按照0000，0001，0010，…，1111的地址，順序讀出ROM中的數(shù)據(jù)，即表7.1.1中的幅值編碼，其輸出正弦信號頻率為fo1；如果每隔一個地址讀一次數(shù)據(jù)（即按0000，0010，0100，…，1110順序），其輸出信號頻率為fo2，且fo2將比fo1提高一倍，即fo2=2fo1；其余類推。這樣，就可以實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的輸出頻率的調(diào)節(jié)。上述過程是由控制電路實現(xiàn)的，由控制電路的輸出決定選擇數(shù)據(jù)ROM的地址（即正弦波的相位）。輸出信號波形的產(chǎn)生是相位逐漸累加的結(jié)果，這由累加器實現(xiàn)，稱為相位累加器。DDS基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7.1.1所示。DDS由相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器組成。圖7.1.1中的參考時鐘是一個穩(wěn)定的晶體振蕩器，用它來同步整個合成器的各個組成部分，相位累加器類似于一個簡單的計數(shù)器，在每個時鐘脈沖輸入時，它的輸出就增加一個步長的相位增量值。相位累加器把頻率控制字FSW的數(shù)據(jù)變成相位抽樣來確定輸出頻率的大小。相位增量的大小隨外部指令FSW的不同而不同，一旦給定了相位增量，輸出頻率也就確定了。

圖7.1.1中正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器（PROM），存有一個或多個完整周期的正弦波數(shù)據(jù)。在時鐘fc驅(qū)動下，地址計數(shù)器逐步經(jīng)過PROM存儲器的地址，地址中相應的數(shù)字信號輸出到N位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸入端，由DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號。當用這樣的數(shù)據(jù)尋址時，正弦查表就把存儲在相位累加器中的抽樣值轉(zhuǎn)換成正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量變成模擬量，低通濾波器（LPF）進一步平滑并濾掉帶外雜散信號，得到所需正弦波波形。圖7.1.1DDS基本結(jié)構(gòu)框圖DDS的輸出頻率fo和基準時鐘fc、相位累加器長度N及頻率控制字FSW的關系為fo=fc·FSW/2N

（7.1.1）DDS的頻率分辨率為fo=

fc/2N

（7.1.2）由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特（Nyquist）抽樣定理限制，所以有fmax

=fc/2（7.1.3）常用的可編程DDS結(jié)構(gòu)如圖7.1.2所示。該DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由兩個加法器Σ和一個N位相位寄存器組成，N一般為24～32位。每來一個時鐘fc，相位寄存器以步長M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經(jīng)過2N/M個fc時鐘后回到初始狀態(tài)，相應地正弦查詢表經(jīng)過一個循環(huán)回到起始位置，整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。圖7.1.2常用的可編程DDS結(jié)構(gòu)輸出的正弦波周期為（7.1.4）輸出頻率為

（7.1.5）頻率分辨率為（7.1.6）一個頻率/相位/幅度可編程DDS結(jié)構(gòu)如圖7.1.3所示。其中，參考信號為高穩(wěn)定的晶體振蕩器，其輸出信號為DDS各個部分提供同步；相位累加器是DDS的核心，它由一個N位字長的二進制加法器和一個由時鐘fc取樣的N位寄存器組成，作用是對頻率控制字K進行線性累加；波形存儲器中所存儲的是一張函數(shù)波形查詢表，對應不同的相位碼址輸出不同的幅度編碼。當相位控制字為0，幅度控制字為1時，相位累加器輸出的相位序列對波形存儲器尋址，得到一系列離散的幅度編碼。該幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到對應的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器平滑后可得到所需的模擬波形。圖7.1.3頻率/相位/幅度可編程DDS結(jié)構(gòu)設相位累加器字長為N，則DDS輸出頻率fo和頻率最小分辨率fmin為（7.1.7）（7.1.8）通過改變相位控制字P可以控制輸出信號的相位參數(shù)，令相位加法器的字長為M，當相位控制字由0躍變到P（P0）時，波形存儲器的輸入為相位累加器的輸出與相位控制字P之和，因而其輸出的幅度編碼相位會增加2P/2M，使最后輸出的模擬信號產(chǎn)生相移。相移最小步進Pmin主要取決于相位加法器的字長M，最小相移分辨率Pmin則取決于相位累加器的字長N，如式（7.1.9）和式（7.1.10）所示。（7.1.9）（7.1.10）DDS輸出信號的幅度可通過在波形存儲器之后插入一個數(shù)字相乘器來實現(xiàn)，幅度控制字A起到對波形存儲器的輸出幅度編碼進行加權(quán)的作用。由以上分析可知，當DDS的相位累加器字長和相位加法器字長固定后，通過改變K、P、A可有效地控制DDS輸出模擬信號的頻率、相位和幅度。圖7.1.3所示的DDS是一個全數(shù)字結(jié)構(gòu)的開環(huán)系統(tǒng)，無反饋環(huán)節(jié)，因此其速度極快，一般都在毫微秒量級。由于全數(shù)字結(jié)構(gòu)，導致DDS的致命缺陷即雜波分布廣泛，當落入輸出頻帶內(nèi)時，則無法濾除。雜散干擾主要是由于數(shù)字器件的非理想特性而帶來的幅度量化誤差、相位截斷誤差等因素所致。其主要雜波分量遵循Nyquist抽樣定理，雜波分量出現(xiàn)在參考頻率與輸出頻率的組合處，即nfcfo(n=0,1,2,…)處。如圖7.1.4所示，在fo處的信號最強，距輸出頻率最近的雜波分量為fcfo。圖7.1.4DDS的雜波分量7.1.2組合式頻率合成器結(jié)構(gòu)常用的頻率合成方法有模擬直接頻率合成、鎖相頻率合成和直接數(shù)字合成DDS三種。三種頻率合成方法各有其優(yōu)缺點。在技術(shù)指標要求高的頻率合成器中，常采用上述三種方法相結(jié)合的合成方法，即組合式頻率合成法。組合式頻率合成通常有三種方法：即模擬直接合成+DDS，PLL+DDS，模擬直接+PLL+DDS等。模擬直接合成+PLL+DDS組合式頻率合成方法如圖7.1.5所示。圖中晶振fr、諧波發(fā)生器和帶通選頻濾波器BF構(gòu)成模擬直接合成法——諧波選頻合成法產(chǎn)生頻率fL，PLL為混頻鎖相環(huán)，它把DDS輸出的高分辨率頻率（fr+NF）與fL相加后輸出fo，即（7.1.11）式中，F(xiàn)為DDS頻率分辨率，DDS可以產(chǎn)生的F在1Hz以下的高分辨率；N為某一范圍內(nèi)的正整數(shù)。圖7.1.5模擬直接合成+PLL+DDS組合式頻率合成方法7.1.3頻率合成器的主要技術(shù)指標由于頻率合成器的應用范圍很廣，不同用途的頻率合成器其性能要求差別很大，因此很難用統(tǒng)一的一系列指標來表征所有頻率合成器的性能。這里僅介紹在通信機中使用的頻率合成器的主要技術(shù)指標。1．頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍，也可以用頻率覆蓋系數(shù)表示，即（7.1.12）如果k>2～3時，一般VCO是很難滿足這一輸出頻率范圍的，實踐中可以把整個頻段分為幾個分波段，每個分波段由一個VCO來滿足分波段頻率范圍。2．頻率分辨率fo

——輸出頻率間隔頻率分辨率fo是指相鄰兩個輸出頻率之間的間隔，故也稱為輸出頻率間隔，或頻率步進間隔。在通信系統(tǒng)中希望波段內(nèi)的頻率通道盡可能多，以滿足通信的要求，所以，希望fo盡可能小。目前PLL頻率合成器可以做到fo為100kHz、10Hz或1Hz，而DDS合成器則可以做到1Hz以下。3．頻率準確度和穩(wěn)定度頻率準確度是指頻率合成器的實際輸出頻率偏離標稱頻率的程度。標稱頻率是指國際和國內(nèi)統(tǒng)一定標的基準頻率。頻率穩(wěn)定度是指在一定時間間隔內(nèi)，合成器輸出頻率的變化大小。頻率準確度和穩(wěn)定度之間既有區(qū)別也有聯(lián)系，只有穩(wěn)定了才能準。在實踐中通常將輸出頻率相對于標稱頻率的偏差也計在不穩(wěn)定偏差之內(nèi)，所以只提出一個頻率穩(wěn)定度指標也就可以了。頻率穩(wěn)定度可以分為長期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度和瞬時穩(wěn)定度，但無嚴格的界限。長期穩(wěn)定度是指一年、一月內(nèi)的頻率變化，主要由晶體和元器件老化所決定。短期穩(wěn)定度是指日、小時內(nèi)的頻率變化，主要因素是內(nèi)部電路參數(shù)的變化、外部電源的波動、溫度變化及其他環(huán)境因素的變化。瞬時穩(wěn)定度是指秒、毫秒間隔內(nèi)的隨機頻率變化，主要因素是干擾和噪聲，實踐中瞬時穩(wěn)定度在頻域范圍內(nèi)表現(xiàn)為相位噪聲頻譜，通常用“功率頻譜密度”表示。在模擬直接頻率合成器、鎖相頻率合成器和DDS合成器中，輸出頻率的穩(wěn)定度主要取決于參考頻率的穩(wěn)定度。4．換頻時間ts換頻時間ts是指合成器輸出頻率從一個頻率點轉(zhuǎn)換到另一個頻率點并穩(wěn)定工作所需的時間。換頻時間ts對不同的合成方式是完全不同的：對于模擬直接合成法ts可以做到毫秒（ms）級以下，甚至可以達到微秒（s）；而對DDS合成法，目前已可以做到納秒（1ns=109s）級；而PLL合成法的ts主要取決于環(huán)路的鎖定時間，如果環(huán)路中還有頻率搜索電路，則搜索時間也應計在ts內(nèi)。目前PLL頻率合成的換頻時間ts大約為參考頻率周期的25倍左右。在通信系統(tǒng)中，一般要求頻率合成器的ts小于幾十個毫秒。而在時分多址和跳頻體制的通信系統(tǒng)中，則要求ts在微秒級、甚至納秒級，滿足這種要求目前只能采用DDS合成法和組合式DDS合成法。5．頻譜純度頻譜純度是指頻率合成器輸出頻率信號接近純正弦波的程度。實際合成器的輸出信號中含有大量不需要的頻譜分量，這些分量主要表現(xiàn)為兩種形式，即寄生干