直接數(shù)字頻率合成器的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案

直接數(shù)字頻率合成器的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis簡稱DDS或DDFS）得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的姣姣者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價(jià)比。1DDS基本原理及性能特點(diǎn)DDS的基本大批量是利用采樣定量，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs，加法器將控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位加累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)中輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址。這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。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信號(hào)。DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、高分頭放力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能。（1）輸出頻率相對(duì)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(shè)計(jì)難度以及對(duì)輸出信號(hào)雜散的抑制，實(shí)際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到40%fs。（2）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短DDS是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。事實(shí)上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率時(shí)間等于頻率控制字的傳輸，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納秒數(shù)量級(jí)，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。（3）頻率分辨率極高若時(shí)鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是則相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級(jí)，許多小于1mHz甚至更小。（4）相位變化連續(xù)改變DDS輸出頻率，實(shí)際上改變的每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。（5）輸出波形的靈活性只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM，即可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生FSK、PSK、ASK和MSK等信號(hào)。另外，只要在DDS的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)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(dāng)DDS的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，既可得到正交的兩路輸出。（6）其他優(yōu)點(diǎn)由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)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(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。DDS也有局限性，主要表現(xiàn)在：（1）輸出頻帶范圍有限由于DDS內(nèi)部DAC和波形存儲(chǔ)器（ROM）的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻有限。目前市場上采用CMOS、TTL、ECL工藝制作的DDS工習(xí)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(dá)2GHz左右。（2）輸出雜散大由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了雜散。其來源主要有三個(gè)：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(chǔ)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(shí)現(xiàn)DDS的三種技術(shù)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(shù)的飛速發(fā)展，目前高超性能優(yōu)良的DDS產(chǎn)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(shí)鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時(shí)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(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調(diào)制器AD9853、數(shù)字上變頻器AD9856和AD9857.AD公司的DDS系列產(chǎn)品以其較高的性能價(jià)格比，目前取得了極為廣泛的應(yīng)用。AD公司的常用DDS芯片選用列表見表1.下面僅對(duì)比較常用的AD9850芯片作一簡單介紹。表1AD公司的常用DDS芯片選用列表型號(hào)

最大工作(MHz)

工作電壓（V）

最大功耗（mw)

備

注

AD9832

25

3.3/5

120

小型封裝，串行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。

AD9831

25

3.3/5

120

低電壓，經(jīng)濟(jì)，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。

AD9833

25

2.5～5.5

20

10個(gè)管腳的uSOIC封裝。

AD9834

50

2.5～5.5

25

20個(gè)管腳的TSSOP封裝并內(nèi)置比較器。

AD9835

50

5

200

經(jīng)濟(jì)，小型封裝，串行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。

AD9830

50

5

300

經(jīng)濟(jì)，并行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。

AD9850

125

3.3/5

480

內(nèi)置比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。

AD9853

165

3.3/5

1150

可編程數(shù)字QPSK/16-QAM調(diào)制器。

AD9851

180

3/3.3/5

650

內(nèi)置比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘6倍頻器。

AD9852

300

3.3

1200

內(nèi)置12位的D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器、線性調(diào)頻和可編程參考時(shí)鐘倍頻器。

AD9854

300

3.3

1200

內(nèi)置12位兩路正交D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器和可編程參考時(shí)鐘倍頻器。

AD9858

1000

3.3

2000

內(nèi)置10位的D/A轉(zhuǎn)換器、150MHz相頻檢測器、充電汞和2GHz混頻器。AD9850是AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)1996年推出的高集成度DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。接上精密時(shí)鐘源，AD9850可產(chǎn)生一個(gè)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(hào)源或轉(zhuǎn)換成方波用作時(shí)鐘輸出。AD9850接口控制簡單，可以用8位并行口或串行口經(jīng)、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分產(chǎn)率達(dá)0.029Hz。先進(jìn)的CMOS工藝使AD9850不僅性能指標(biāo)一流，而且功耗少，在3.3V供電時(shí)，功耗僅為155mW。擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40～+85攝