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

　　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(lái)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(zhuān)有角度-旋轉(zhuǎn)（angle-rotation）算法，依靠計(jì)算引擎來(lái)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(lái)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(zhuān)利的相位交錯(cuò)DDS架構(gòu)（美國(guó)專(zhuān)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(guò)大。為了解決這一問(wèn)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(zhuān)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?，削減每個(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(wú)線(xiàn)電控制單元，以及用于條形碼和射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電(SDR)、遠(yuǎn)程或便攜式有線(xiàn)電視測(cè)試設(shè)備、醫(yī)療血糖儀、無(wú)線(xiàn)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(chēng)輸出頻率100MHz下的低功耗特性。圖中的曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)3種不同的工作模式（單音、線(xiàn)性?huà)呙韬?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/可編程">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(lái)分辨頻率，累加器的大?。ㄎ粩?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0?2(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(shuō)，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(mǎn)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(lái)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(wèn)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(mǎn)足條件1≤N≤2C的任意整數(shù)。也就是說(shuō)，N值可以由用戶(hù)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)?/P>

　　fO/fS =M/N (2)

　　方程式2乍看之下平淡無(wú)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。

　　可編程模數(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，幾乎所有的有理數(shù)頻率比都可以合成。例如，現(xiàn)在令M=1、N=1000，就可以精確合成fO=fS/1000的頻率。事實(shí)上，不僅可以合成fO=fS/1000，還能合成fS/1000的各次諧波（最高499次，即最高諧波次數(shù)為0.5N-1）。

　　在發(fā)展可編程模數(shù)的同時(shí)保持低功耗絕不是小事一樁?？雌饋?lái)很簡(jiǎn)單，只要增加一些額外的邏輯來(lái)改造傳統(tǒng)的累加器，迫使它在新模數(shù)值時(shí)翻滾，但不要忘了，原來(lái)的DDS省電創(chuàng)新涉及到角度-旋轉(zhuǎn)算法，它正是基于累加器模數(shù)為2的冪這一情況而實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的。當(dāng)累加器模數(shù)變?yōu)?的冪以外的值時(shí)，將無(wú)法使用省電的角度-旋轉(zhuǎn)算法。

　　累加器改進(jìn)的巧妙之處體現(xiàn)在兩方面。第一，它一方面允許模數(shù)變化，另一方面仍然滿(mǎn)足角度-旋轉(zhuǎn)算法的“2的冪”要求。第二，它在實(shí)現(xiàn)第一點(diǎn)的同時(shí)，將對(duì)雜散性能的影響降至最低程度。在圖2和圖3中，頻譜分析儀的掃描頻率范圍均為0～125MHz，AD9913以250MHz的采樣速率工作。圖2中，AD9913配置為傳統(tǒng)DDS，頻率調(diào)諧字為262160001(f0≈15.26MHz)，這是傳統(tǒng)DDS能夠?qū)崿F(xiàn)的最接近M/N=1000/16383的值。圖3則使用可編程模數(shù)設(shè)置。兩種情況的頻率差僅為大約0.00136Hz（約1MHz）。除了雜散成分略有不同外，兩條跡線(xiàn)看起來(lái)幾乎完全一致。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)DDS技術(shù)的調(diào)諧限制

圖3 AD9913的可編程模塊調(diào)諧能力

　　盡管功耗非常低，但AD9913并未減損波形發(fā)生能力，仍然能夠產(chǎn)生線(xiàn)性頻率或相位隨時(shí)間而以斜坡形式變化的波形。用戶(hù)設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)（頻率為32位，相位為14位）。兩個(gè)斜坡方向（從起點(diǎn)到終點(diǎn)和從終點(diǎn)到起點(diǎn)）的步長(zhǎng)和步進(jìn)速率參數(shù)都是可以獨(dú)立編程的。利用這些控制參數(shù)和其他用戶(hù)控制的特性，可以產(chǎn)生多種多樣的調(diào)制輸出信號(hào)。圖4所示為波形發(fā)生能力的一個(gè)示例，顯示了頻率在6μs內(nèi)從1MHz掃描到10MHz的時(shí)域圖（6kHz步長(zhǎng)、4ns間隔）。下方跡線(xiàn)的上升沿表示頻率掃描的起點(diǎn)。到達(dá)10MHz后，器件折回并保持1MHz，因此跡線(xiàn)非常清楚地顯示了頻率掃描的終點(diǎn)。

圖4 ADS9913掃頻產(chǎn)生的時(shí)域波形

　　AD9913也集成了參考時(shí)鐘乘法器，支持設(shè)計(jì)人員使用低頻時(shí)鐘源。除了直接利用高頻時(shí)鐘源來(lái)驅(qū)動(dòng)該器件外，設(shè)計(jì)人員還可以將低頻時(shí)鐘源或晶體諧振器與AD9913集成的PLL（1X至64X）頻率乘法器一起使用，產(chǎn)生所需的250 MHz內(nèi)部采樣時(shí)鐘。采樣直接時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，AD9913的參考時(shí)鐘(REFCLK)輸入端口接受差分或單端信號(hào)源。