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DDS在任意波發(fā)生器中的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2012-03-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

直接數(shù)字頻率合成()技術(shù)憑借其相對帶寬寬、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號、可編程、全數(shù)字化以及控制靈活方便等特性,近年來得到普遍應(yīng)用。本文介紹了的原理和技術(shù)特點(diǎn),給出在任意波形發(fā)生器并討論了在任意波形發(fā)生器中采用DDS的優(yōu)勢和缺陷。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/194301.htm

頻率合成理論自20世紀(jì)30年代提出以來,得到了迅速的發(fā)展,目前主要有四種技術(shù):直接模擬頻率合成、鎖相頻率合成、直接數(shù)字頻率合成以及混合式頻率合成技術(shù)。

直接數(shù)字頻率合成(DDS)是指從相位量化概念出發(fā)直接合成所需波形。1971年,美國學(xué)者J.TierncyC.M.Rader和B.Gold提出這一概念,近年來隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,直接數(shù)字合成技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。同時(shí),它將先進(jìn)的數(shù)字信號處理(DSP)理論和方法引入到頻率合成領(lǐng)域中,從而有效的解決了許多模擬合成技術(shù)無法解決的問題。

任意波形發(fā)生器(AWG)是信號源的一種,具有信號源所有的特點(diǎn),而且可以產(chǎn)生任何可以設(shè)計(jì)的波形,適合各種仿真和測試要求,極大的方便了設(shè)計(jì)和調(diào)試。日前,北京普源精電公司(RIGOL TECHNOLOGIES)率先推出了國內(nèi)新一代直接數(shù)字頻率合成(DDS)信號發(fā)生器DG3000系列,并以強(qiáng)大的功能和人性化設(shè)計(jì),給國內(nèi)用戶提供了良好的選擇。

直接數(shù)字合成原理

直接數(shù)字頻率合成(DDS)是采用數(shù)字化技術(shù),通過控制頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率信號。DDS主要由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成,如圖1。

參考時(shí)鐘由一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生,來同步整個(gè)頻率合成器的各個(gè)組成部分。N位加法器與N位相位寄存器級聯(lián)構(gòu)成相位累加器,每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖,加法器就將頻率控制字K與相位寄存器中的數(shù)據(jù)相加。相位寄存器可以將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后產(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)鐘的作用下繼續(xù)將相位數(shù)據(jù)與頻率控制字相加。這樣,相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下進(jìn)行線性相位累加。當(dāng)相位累加器達(dá)到上限時(shí),就會產(chǎn)生一次溢出,完成一個(gè)周期性的動作,這個(gè)周期就是合成信號的一個(gè)周期,累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號頻率。

在參考時(shí)鐘的控制下,頻率控制字送入相位累加器。用相位累加器的輸出作為正弦查找表的查找地址對正弦表進(jìn)行查找。查找表中的每個(gè)地址代表一個(gè)周期正弦波的一個(gè)相位點(diǎn),每個(gè)相位點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)量化振幅值。因此,這個(gè)查找表相當(dāng)于一個(gè)相位/振幅變換器,它將相位累加器的相位信息映射成數(shù)字振幅信息。查找后的振幅數(shù)據(jù)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波,最后經(jīng)低通濾波器對階梯波進(jìn)行平滑處理,即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。

設(shè)頻率控制字是K,輸出頻率為fo,參考時(shí)鐘是fclk,相位寄存器N位,頻率分辨率是Δfo 那么有下面的公式:

當(dāng)N=32,K=1,相應(yīng)的輸出正弦波頻率等于時(shí)鐘頻率除以232。通過控制頻率控制字的改變和寄存器位數(shù)的增加,可以得到令人滿意的頻率。在實(shí)際應(yīng)用的DDS系統(tǒng)里,并不會把相位累加器的所有輸出位都送到查找表,為了既能減少查找表的規(guī)模,又不影響系統(tǒng)的頻率分辨率,一般只取能夠達(dá)到工程需要的高幾位,達(dá)到極限和實(shí)用的完美結(jié)合。

用于任意波形發(fā)生器的DDS

任意波形產(chǎn)生原理

隨著數(shù)字信號處理(DSP)理論和方法引入到頻率合成領(lǐng)域中,任意波形發(fā)生器使用直接數(shù)字合成的方式可以方便地產(chǎn)生各種需求的波形。將圖1中的正弦查找表使用波形存儲器來替代,得到圖2。

每個(gè)波形存儲器中存儲一個(gè)周期的任意波形信號,每個(gè)周期由若干波形點(diǎn)構(gòu)成,每個(gè)點(diǎn)和相位一一對應(yīng),所以又相當(dāng)于一個(gè)相位/振幅變換器,振幅信息通過D/A轉(zhuǎn)換器生成階梯波形,經(jīng)過濾波得到需要的波形。

北京普源精電科技有限公司生產(chǎn)的DG3000系列數(shù)字信號發(fā)生器的采樣頻率為300MHz,存儲深度為512K個(gè)樣點(diǎn),可以產(chǎn)生高達(dá)40MHz、12位垂直分辨率的穩(wěn)定任意波,并且可以存儲4組已編輯的任意波形。任意波在波形編輯器的波形如圖3所示。

創(chuàng)建任意波形

對于512K的存儲深度,任意信號發(fā)生器的使用者可以在必要的位置對波形點(diǎn)進(jìn)行編輯,即只編輯若干點(diǎn)。以普源精電科技的DG3000系列產(chǎn)品為例,用戶編輯若干點(diǎn)后,可以選擇使用插值的方式或者使用重復(fù)前一點(diǎn)的方式來填充剩余點(diǎn)。為了獲得最好的效果,以及將電壓量化誤差減少到最小,通常使用插值的方式。

隨著計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展和DSP技術(shù)的引入,使用波形編輯軟件創(chuàng)建波形,可以對已有波形進(jìn)行裁減、復(fù)制、粘貼、翻轉(zhuǎn)、數(shù)學(xué)運(yùn)算等等,也可以使用逐點(diǎn)的方式自定義波形。這種方式,方便快捷靈活,精確度也較高,特別適合時(shí)域波形的編輯。DG3000提供的波形編輯軟件,美觀大方,使用方便,為波形編輯帶來便利,而且還可以編輯數(shù)字波形,拓寬了使用的領(lǐng)域。

DDS產(chǎn)生任意波的優(yōu)缺點(diǎn)

使用直接數(shù)字合成的方式產(chǎn)生任意波相對于傳統(tǒng)方式具有很多優(yōu)勢。

較高的輸出分辨率

當(dāng)參考時(shí)鐘頻率和相位累加器的位寬滿足一定的要求時(shí),輸出分辨率可以非常小。使用DDS技術(shù)產(chǎn)生的任意波在精度上非常高,誤差很小。

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間小

直接數(shù)字頻率合成是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng),無任何反饋環(huán)節(jié),故DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間主要是DDS的數(shù)字處理延時(shí),通常僅為ns量級。既克服了傳統(tǒng)方式的轉(zhuǎn)換時(shí)間大的問題,又有效解決了PLL的高分辨率和快速轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾。

輸出相位連續(xù)

DDS在改變頻率時(shí)只需改變頻率控制字(即累加器累加步長),而不需改變原有的累加值,故改變頻率時(shí)相位是連續(xù)的。同時(shí)由于固有的缺陷和任意波發(fā)生中的特殊情況,DDS技術(shù)還有待提高。

固有缺陷

DDS固有的雜散和噪聲大,而且在頻率升高時(shí)雜散和噪聲也隨之增加。同時(shí)由于受當(dāng)前集成電路工藝以及材料的限制,DDS目前的最高工作頻率也受到了限制。

任意波形發(fā)生器應(yīng)用中的特殊問題

通常,使用DDS技術(shù)輸出任意波形的頻率符合奈奎斯特抽樣定理,但是,由于任意波形的特殊性,使用DDS技術(shù)并不能產(chǎn)生達(dá)到奈氏極限頻率的任意波形。例如,由十個(gè)循環(huán)正弦波組成的任意波,輸出頻率設(shè)置為5MHz,實(shí)際的輸出頻率是50MHz。振幅將被3dB帶寬的限制所削減,設(shè)定的輸出頻率越高,波形混疊和失真就越嚴(yán)重。

隨著數(shù)字技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,DDS芯片不斷推陳出新,性能得到顯著提高價(jià)格也在不斷下降。同時(shí),DDS技術(shù)和DSP理論方法的結(jié)合,相得益彰,使得很多困擾DDS技術(shù)的問題能夠另辟蹊徑,得到解決??梢灶A(yù)見DDS技術(shù)在任意波形發(fā)生器會越來越多,任意波形發(fā)生器的頻率和精度會越來越高,同時(shí)價(jià)格也會越來越低。



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