实现直接数字频率合成器的三种技术方案.pdfVIP

摘 要： 讨论了 DDS 的工作原理及性能特点，介绍了目前实现 DDS 常用的三种技术方案，并对各方案的 特点作了简单的说明。 关键词： 直接数字频率合成器 相位累加器 信号源 现场可编程门阵列 1971 年，美国学者 J.Tierney 等人撰写的 A Digital Frequency Synthesizer 一文首次提出了以全数字技术， 从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。 限于当时的技术和器件水平， 它的性能指标尚 不能与已有的技术相比， 故未受到重视。 近 10 年间，随着微电子技术的迅速发展， 直接数字频率合成器 (Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS 或 DDFS) 得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性 能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。具体表达在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输 出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有 极高的性价比。 1 DDS 基本原理及性能特点 DDS 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。 DDS 的结构有很多种，其基本的电路原理可 用图 1 来表示。 相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲 f ，加法器将频率控制字 k s 与累加寄存器输出的累加相位数据相加， 把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。 累加寄存器将加法 器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端， 以使加法器在下一个时钟脉冲的作 用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此 可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成 信号的相位，相位累加器的溢出频率就是 DDS 输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器 (ROM) 的相位取样地址， 这样就可把存储在波形存储器内的波 形抽样值 (二进制编码 )经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到 D/A 转换器， D/A 转换 器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。 低通滤波器用于滤除不需要的取样分 量，以便输出频谱纯洁的正弦波信号。 DDS 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方 面远远超过了传统频率合成技术所能到达的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 (1)输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为 50%fs( 理论值 )。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制， 实际的输出频率带宽仍能到达 40%f 。 s (2)频率转换时间短 DDS 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 DDS 的频率转换时间极短。事实上，在 DDS 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频 率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。 DDS 的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 (3)频率分辨率极高 假设时钟 f s 的频率不变， DDS 的频率分辨率就由相位累加器的位数 N 决定。只要增加相位累加器的位 数 N 即可获得任意小的频率分辨率。 目前，大多数 DDS 的分辨率在 1Hz 数量级， 许多小于 1mhz 甚至更小。 (4)相位变化连续 改变 DDS 输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连