省電設(shè)計(jì)將 DDS 的靈活性擴(kuò)展到便攜式設(shè)備

直接數(shù)字頻率合成(DDS)具有快速頻率切換和調(diào)制能力，應(yīng)用廣泛。但是，當(dāng)?shù)凸暮偷统杀臼侵饕紤]因素時(shí)，DDS常常不得不退居其次，讓位于模擬鎖相環(huán)(PLL)。AD9913改變了這一局面，不僅能在125MHz輸出帶寬范圍提供DDS技術(shù)的快速切換和調(diào)制靈活性，而且具備與PLL相似的低功耗特性，其功耗僅有大約50mW。

DDS解決方案的功耗一直比較高，例如AD9850，它是20世紀(jì)90年代中期推出的首批DDS產(chǎn)品之一，集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，在50MHz輸出帶寬時(shí)的功耗為380mW；而AD9913采用了創(chuàng)新技術(shù)，其帶寬功耗比相對(duì)于AD9850提高了20倍。

AD9913帶給便攜式和/或儀器儀表應(yīng)用的好處主要有三方面：50mW的低功耗使得手持式和其他便攜式應(yīng)用也能受惠于DDS技術(shù)；可編程模數(shù)架構(gòu)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘和儀器儀表應(yīng)用是一項(xiàng)有吸引力的特性，它支持合成同一速率的任意有理分?jǐn)?shù)（兩個(gè)整數(shù)的比）的頻率。傳統(tǒng)的DDS只能合成同一速率的分母為2的冪的有理分?jǐn)?shù)頻率，例如1/4和5/16，而AD9913則不受“2的冪”限制，它能產(chǎn)生同一速率的任意有理分?jǐn)?shù)頻率，如1/10、3/7或286/11487等，只要它們處于AD9913的編程范圍內(nèi)；最后，AD9913像ADI公司的一些早期DDS產(chǎn)品一樣，能夠極其靈活地產(chǎn)生多種波形。

AD9913采用了多項(xiàng)創(chuàng)新省電技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)低功耗特性。第一項(xiàng)創(chuàng)新涉及到DDS的相位幅度轉(zhuǎn)換部分，該部分根據(jù)一個(gè)正弦和/或余弦函數(shù)將相位累加器產(chǎn)生的瞬時(shí)相位值轉(zhuǎn)換為幅度值。傳統(tǒng)上，此任務(wù)由一個(gè)只讀存儲(chǔ)器(ROM)查找表來執(zhí)行。然而，隨著DDS技術(shù)的速度不斷提高，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，ROM方法的功耗負(fù)擔(dān)已變得不可接受，這就需要使用一個(gè)專有角度-旋轉(zhuǎn)（angle-rotation）算法，依靠計(jì)算引擎來執(zhí)行正弦和/或余弦轉(zhuǎn)換。角度-旋轉(zhuǎn)算法方法可以追溯到AD9850，相比于ROM查找表方法，其功耗大大降低。如果不采用角度-旋轉(zhuǎn)算法，許多早期DDS產(chǎn)品將需要特殊的散熱封裝來適應(yīng)更高的功耗。此外，散熱考慮還可能會(huì)使我們不得不減去現(xiàn)有DDS產(chǎn)品上的許多有用功能，例如，對(duì)DDS輸出信號(hào)的數(shù)字相位和/或頻率調(diào)制、利用數(shù)字濾波降低sin(x)/x損耗、針對(duì)多通道應(yīng)用使用多個(gè)DDS內(nèi)核。

第二項(xiàng)重大省電突破可以歸功于ADI公司已獲專利的相位交錯(cuò)DDS架構(gòu)（美國專利第6587863號(hào)）。相位-旋轉(zhuǎn)算法實(shí)現(xiàn)的節(jié)能降耗使得我們可以考慮在同一芯片上運(yùn)行多個(gè)DDS內(nèi)核。我們發(fā)現(xiàn)，以較低采樣速率運(yùn)行多個(gè)DDS內(nèi)核的功耗小于以極高采樣速率運(yùn)行一個(gè)DDS內(nèi)核的功耗，這是一項(xiàng)非常有意義的突破，因?yàn)橐浞掷眯滦透叻直媛剩?4位或更高）、高采樣速率（1GHz或更高）數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)內(nèi)核，必須創(chuàng)新DDS技術(shù)。交錯(cuò)DDS架構(gòu)使得設(shè)計(jì)工程師能夠集成多個(gè)已經(jīng)降低功耗的DDS內(nèi)核，并且以低于高頻DAC內(nèi)核的采樣速率運(yùn)行這些內(nèi)核。這種創(chuàng)新架構(gòu)連同180nm CMOS制造工藝的采用，導(dǎo)致DDS輸出帶寬顯著提高，而功耗只比上一代低頻DDS產(chǎn)品略有增加。

然而，對(duì)于手持式和便攜式應(yīng)用，即使有了上述創(chuàng)新，功耗仍然顯得過大。為了解決這一問題，還需要一項(xiàng)創(chuàng)新。為此，我們對(duì)角度-旋轉(zhuǎn)算法進(jìn)行改進(jìn)，推出一種新的專有算法，以便進(jìn)一步降低DDS內(nèi)核的功耗。新算法與注重低功耗操作的設(shè)計(jì)原則相結(jié)合，使得設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)期望的低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。新的設(shè)計(jì)原則包括：關(guān)閉特定工作模式不需要的所有多余內(nèi)部時(shí)鐘，以及在不會(huì)降低頻譜性能或不當(dāng)?shù)叵拗茙挼那疤嵯拢鳒p每個(gè)電路模塊的功耗。

這些創(chuàng)新的成果就是AD9913，其采樣速率最高可達(dá)250MHz，而功耗僅有50mW。在250MHz的采樣速率下，可用帶寬約為100MHz。AD9913的這種輸出頻率能力和低功耗特性使它特別適合各種無線電控制單元，以及用于條形碼和射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽的無線掃描器。然而，對(duì)于要求100MHz以上帶寬的應(yīng)用，必須使用一個(gè)輔助PLL進(jìn)行上變頻。其他能夠受益于低功耗DDS技術(shù)的手持式/便攜式應(yīng)用包括：軟件無線電(SDR)、遠(yuǎn)程或便攜式有線電視測(cè)試設(shè)備、醫(yī)療血糖儀、無線火災(zāi)報(bào)警，以及頻譜分析儀和波形發(fā)生器等電子測(cè)量設(shè)備。

獨(dú)特的架構(gòu)
圖1顯示了AD9913在標(biāo)稱輸出頻率100MHz下的低功耗特性。圖中的曲線對(duì)應(yīng)3種不同的工作模式（單音、線性掃描和可編程模數(shù)）和兩種REFCLK輸入驅(qū)動(dòng)方式（直接由差分源驅(qū)動(dòng)或直接由單端源驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部PLL禁用）。

圖1 AD9913的功耗和采樣率之間的關(guān)系

AD9913區(qū)別于傳統(tǒng)DDS器件的地方在于其獨(dú)特的可編程模數(shù)架構(gòu)。傳統(tǒng)的DDS依靠相位累加器來分辨頻率，累加器的大小（位數(shù)）決定DDS的頻率分辨率。

如果相位累加器具有C位分辨率，則傳統(tǒng)DDS提供的頻率分辨率為fS/2C，其中，fS為DDS的采樣速率。數(shù)字調(diào)諧字M可以是從02(C-1)的任意整數(shù)。理論上，允許的調(diào)諧字范圍是從2(C-1)2C-1，但這會(huì)導(dǎo)致奈奎斯特鏡像頻率（即計(jì)數(shù)器旋轉(zhuǎn)相量）的合成。根據(jù)數(shù)字調(diào)諧字和DDS采樣速率(fS)可以列出熟悉的DDS頻率合成方程式，其中，fO為DDS輸出頻率：
fO/fS=M/2C (1)
因?yàn)镸必須為整數(shù)，所以對(duì)于給定的采樣速率，傳統(tǒng)DDS只能合成2(C-1)個(gè)獨(dú)特的頻率。也就是說，當(dāng)M=0時(shí)，輸出頻率為0(DC)；當(dāng)M=2(C-1)-1時(shí)，輸出頻率只差0.5fS。所有剩余的輸出頻率都是fs/(2C)（DDS的頻率分辨率）的增量。多數(shù)情況下，如此精密的頻率分辨率是非常令人滿意的。例如，AD9913擁有一個(gè)32位累加器，其頻率分辨率為(250MHz)/232，或者大約0.058Hz。

現(xiàn)在考慮這樣一種情況：一個(gè)傳統(tǒng)DDS具有一個(gè)32位累加器，要求利用它來合成一個(gè)恰好為采樣速率的1/1000的輸出頻率。這意味著fO/fS=1/1000，將它代入方程式1的左邊并求解M可得：M=232/1000，或M=4294967.296。該M顯然不是整數(shù)，但傳統(tǒng)DDS要求M必須是整數(shù)值，因此使用它的最接近整數(shù)值，本例為4294967。問題在于，使用這個(gè)調(diào)諧字不能精確地合成0.001fS的頻率，而是合成大約0.000999999931fS的頻率。在某些應(yīng)用中，例如網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘應(yīng)用，這一細(xì)微的偏差是不可接受的。

傳統(tǒng)DDS中的C位相位累加器導(dǎo)致模數(shù)(N)是固定的，即N=2C?？删幊棠?shù)DDS架構(gòu)對(duì)相位累加器進(jìn)行了巧妙的改造，使得模數(shù)可以是滿足條件1≤N≤2C的任意整數(shù)。也就是說，N值可以由用戶設(shè)定。對(duì)于可編程模數(shù)DDS架構(gòu)，當(dāng)N=1或N=2時(shí)，合成的頻率為0Hz，因此可用的最小模數(shù)（用于產(chǎn)生DC以外的輸出）為N=3。像傳統(tǒng)DDS一樣，可編程模數(shù)DDS也要求方程式1中的M為整數(shù)。然而，由于N是可編程的，因此DDS輸出頻率方程式變?yōu)?br />fO/fS =M/N (2)
方程式2乍看之下平淡無奇，實(shí)則頗具意義。考慮選擇特定模數(shù)N=2C的情況，此時(shí)可以合成的頻率集與傳統(tǒng)DDS相同。然而，可編程模數(shù)DDS不僅包括傳統(tǒng)DDS的整個(gè)頻率集，而且包括許許多多的其他頻率。這是因?yàn)?，每個(gè)特定的N值（從3到2C）都對(duì)應(yīng)與M(1≤M0.5N-1)相關(guān)的所有頻率。對(duì)于任何給定的采樣速率，它所代表的可能輸出頻率集遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)DDS。