實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的三種技術(shù)方案

　　摘　要：討論了DDS的工作原理及性能特點(diǎn)，介紹了目前實(shí)現(xiàn)DDS常用的三種技術(shù)方案，并對(duì)各方案的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的說明。 
　　關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成器 相位累加器 信號(hào)源 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 

　　1971年，美國(guó)學(xué)者J.Tierney等人撰寫的"A Digital Frequency Synthesizer"一文首次提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平，它的性能指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)相比，故未受到重視。近10年間，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)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。 
1 DDS基本原理及性能特點(diǎn) 
　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖1來表示。



　　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，加法器將頻率控制字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)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，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)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(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，相位累加器的溢出頻率就是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、高分辨力、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，頻率轉(zhuǎn)換的時(shí)間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間，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的頻率分辨率就由相位累加器的位數(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輸出的最高頻率有限。目前市場(chǎng)上采用CMOS、TYL、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(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(zhǎng)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，目前市場(chǎng)上性能優(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(guó)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(jiǎn)單介紹。

表1 AD公司的常用DDS芯片選用列表
表1 AD公司的常用DDS芯片選用列表

型號(hào)	最大 工作頻率(MHz)	工作電壓(V)	最大功耗(mw)	備注
AD9832	25	3.3/5	120	小型封裝，轉(zhuǎn)型輸入，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，裝型輸入，內(nèi)置內(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/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、線形調(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相頻監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分辨率達(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?cái)喑?4位，輸入正弦查詢表，查詢表輸出截?cái)喑?0位，輸入到DAC。DAC輸出兩個(gè)互補(bǔ)的模擬電流，接到濾波器上。調(diào)節(jié)DAC滿量程輸出電流，需外接一個(gè)電阻Rset，其調(diào)節(jié)關(guān)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(yè)部推出低頻正弦波DDS單片電路ML2035以其價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單得到廣泛應(yīng)用。ML2035特性：(1)輸出頻率為直流到25kHz，在時(shí)鐘輸入為12.352MHz時(shí)頻率分辨率可達(dá)到1.5Hz(-0.75～+0.75Hz)，輸出正弦波信號(hào)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(jī)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(shí)鐘輸入，在上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖人16位移位寄存器； 
　　(3)SID：串行數(shù)據(jù)輸入，該串行數(shù)據(jù)為頻率控制字，決定6腳輸出的頻率； 
　　(4)LATI：串行數(shù)據(jù)鎖存，在下降沿將頻率控制字鎖入16位數(shù)據(jù)鎖存器； 
　　(5)Vcc：+5V電源； 
　　(6)Vout：模擬信號(hào)輸出； 
　　(7)CND：公共地，輸入、輸出均以此點(diǎn)作為參考點(diǎn)； 
　　(8)CLK IN：時(shí)鐘輸入，可外接時(shí)鐘或石英晶體。 
　　ML2035生成的頻率較低(0～25kHz)，一般應(yīng)用于一些需產(chǎn)生的頻率為工頻和音頻的場(chǎng)合。如用2片ML2035產(chǎn)生多頻互控信號(hào)，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(tǒng)中的收發(fā)電路等。 
　　可編程正弦波發(fā)生器芯片ML2035設(shè)計(jì)巧妙，具有可編程、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)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(hào)的場(chǎng)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(dá)500kHz。 
2.3自行設(shè)計(jì)的基于FPGA芯片的解決方案 
　　DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件?？删幊踢壿嬈骷云渌俣雀摺⒁?guī)模大、可編程，以及有強(qiáng)大EDA軟件支持等特性，十分適合實(shí)現(xiàn)DDS技術(shù)。Ahera是著名的PLD生產(chǎn)廠商，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先的地位。Ahera的PLD具有高性能、高集成度和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，此外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera的產(chǎn)品獲得了廣泛的應(yīng)用。Altera的產(chǎn)品有多個(gè)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+pluslI是Altera提供的一個(gè)完整的EDA開發(fā)軟件，可完成從設(shè)計(jì)輸入、編譯、邏輯綜合、器件適配、設(shè)計(jì)仿真、定時(shí)分析、器件編程的所有過程。QuartuslI是Altera近幾年來推出的新一代可編程邏輯器件設(shè)計(jì)環(huán)境，其功能更為強(qiáng)大。 
　　用Max+pluslI設(shè)計(jì)DDS系統(tǒng)數(shù)字部分最簡(jiǎn)單的方法是采用原理圖輸入。相位累加器調(diào)用lmp_add_sub加減法器模塊，相位累加器設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的速度，采用流水線技術(shù)能大幅度地提升速度。波形存儲(chǔ)器(ROM)通過調(diào)用lpm_rom元件實(shí)現(xiàn)，其LPM_FILE的值*.mif是一個(gè)存放波形幅值的文件。波形存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)主要考慮的問題是其容量的大小，利用波形幅值的奇、偶對(duì)稱特性，可以節(jié)省3/4的資源，這是非?？捎^的。為了進(jìn)一步優(yōu)化速度的設(shè)計(jì)，可以選擇菜單Assign|Global Project Logic Synthesis的選項(xiàng)Optimize10(速度)，并設(shè)定Global Project logic Synthesis Style為FAST，經(jīng)寄存器性能分析最高頻率達(dá)到100MHz以上。用FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS能工作在如此之高的頻率主要依賴于FPGA先進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 
　　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(jù)需要方便地實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，具有良好的實(shí)用性。就合成信號(hào)質(zhì)量而言，專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內(nèi)部數(shù)字信號(hào)抖動(dòng)很小，可以輸出高質(zhì)量的模擬信號(hào)；利用FPGA也能輸出較高質(zhì)量的信號(hào)，雖然達(dá)不到專用DDS芯片的水平，但信號(hào)精度誤差在允許范圍之內(nèi)。 
　　DDS問世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲這兩個(gè)主要缺點(diǎn)阻礙了DDS的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對(duì)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(dá)到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃?。隨著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。 
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