DDS電路基礎(chǔ)課件

7.1DDS電路基礎(chǔ)直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）是將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入頻率合成的一項(xiàng)新技術(shù)，DDS把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)。7.1.1DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）

基本原理與結(jié)構(gòu)DDS有兩種基本合成方式：一種是根據(jù)正弦函數(shù)關(guān)系式，按照一定的時(shí)間間隔利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字遞推關(guān)系計(jì)算，求解瞬時(shí)正弦函數(shù)幅值并實(shí)時(shí)地送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，從而合成出所要求頻率的正弦波信號(hào)。這種合成方式具有電路簡(jiǎn)單、成本低、合成信號(hào)頻率的分辨率可做得很高等優(yōu)點(diǎn)，但由于受計(jì)算機(jī)速度的限制，合成信號(hào)頻率較低，一般在幾千赫茲左右；另一種合成方式是用硬件電路取代計(jì)算機(jī)的軟件運(yùn)算過(guò)程，即利用高速存儲(chǔ)器將正弦波的M個(gè)樣品存在其中，然后以查表的方式按均勻的速率把這些樣品輸入到高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，變換成所設(shè)定頻率的正弦波信號(hào)，這種合成方式由于采用高速存儲(chǔ)器產(chǎn)生正弦波幅值數(shù)據(jù)，因此合成頻率已可以做得很高，目前已達(dá)到數(shù)百兆赫。這就是目前使用最廣泛的一種DDS頻率合成方式。對(duì)于一個(gè)周期的正弦連續(xù)信號(hào)，可以沿其相位軸方向，以等量的相位間隔對(duì)其進(jìn)行相位-幅值取樣，得到一個(gè)周期的正弦波信號(hào)的離散相位幅值序列。然后，根據(jù)合成波形的精度要求，采用接近的整數(shù)值表示其相應(yīng)的幅值序列。即對(duì)模擬幅值進(jìn)行量化，量化后的幅值采用相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。這樣就把一個(gè)周期的正弦波連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列離散的二進(jìn)制表示的數(shù)字量，然后通過(guò)一定的方法固化在只讀存儲(chǔ)器中，每個(gè)存儲(chǔ)單元的地址就是相位取樣地址，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容即是已經(jīng)量化的正弦波幅值。這樣的一只只讀存儲(chǔ)器就構(gòu)成了一個(gè)與0°～360°相位取樣相對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)功能表，只要輸入相位地址，就可立即得到對(duì)應(yīng)的正弦波幅值數(shù)據(jù)，從而取代了計(jì)算機(jī)對(duì)正弦函數(shù)關(guān)系的遞推運(yùn)算。由于只讀存儲(chǔ)器的工作速度很高，從而合成信號(hào)頻率也就可以做高。所以，高速只讀正弦波波形存儲(chǔ)器是目前DDS頻率合成的核心單元?，F(xiàn)以正弦波為例進(jìn)一步說(shuō)明如下。在正弦波一周期（360°）內(nèi)，按相位劃分為若干等份，將各相位所對(duì)應(yīng)的幅值A(chǔ)按二進(jìn)制編碼并存入ROM。設(shè)=6°，則一周期內(nèi)共有60等份。由于正弦波對(duì)180°為奇對(duì)稱，對(duì)90°和270°為偶對(duì)稱，因此ROM中只需存0°～90°范圍內(nèi)的幅值碼。若以=6°計(jì)算，在0°～90°之間共有15等份，其幅值在ROM中占16個(gè)地址單元。因?yàn)?4=16，所以可以按4位地址碼對(duì)數(shù)據(jù)ROM進(jìn)行尋址?，F(xiàn)設(shè)幅值碼為5位，則在0°～90°范圍內(nèi)編碼關(guān)系見(jiàn)表7.1.1。設(shè)基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率為固定值fc在時(shí)鐘的作用下，如果按照0000，0001，0010，…，1111的地址，順序讀出ROM中的數(shù)據(jù)，即表7.1.1中的幅值編碼，其輸出正弦信號(hào)頻率為fo1；如果每隔一個(gè)地址讀一次數(shù)據(jù)（即按0000，0010，0100，…，1110順序），其輸出信號(hào)頻率為fo2，且fo2將比f(wàn)o1提高一倍，即fo2=2fo1；其余類推。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的輸出頻率的調(diào)節(jié)。上述過(guò)程是由控制電路實(shí)現(xiàn)的，由控制電路的輸出決定選擇數(shù)據(jù)ROM的地址（即正弦波的相位）。輸出信號(hào)波形的產(chǎn)生是相位逐漸累加的結(jié)果，這由累加器實(shí)現(xiàn)，稱為相位累加器。DDS基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7.1.1所示。DDS由相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器組成。圖7.1.1中的參考時(shí)鐘是一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器，用它來(lái)同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分，相位累加器類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，它的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)的相位增量值。相位累加器把頻率控制字FSW的數(shù)據(jù)變成相位抽樣來(lái)確定輸出頻率的大小。相位增量的大小隨外部指令FSW的不同而不同，一旦給定了相位增量，輸出頻率也就確定了。

圖7.1.1中正弦查詢表是一個(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM），存有一個(gè)或多個(gè)完整周期的正弦波數(shù)據(jù)。在時(shí)鐘fc驅(qū)動(dòng)下，地址計(jì)數(shù)器逐步經(jīng)過(guò)PROM存儲(chǔ)器的地址，地址中相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出到N位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸入端，由DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。當(dāng)用這樣的數(shù)據(jù)尋址時(shí)，正弦查表就把存儲(chǔ)在相位累加器中的抽樣值轉(zhuǎn)換成正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量變成模擬量，低通濾波器（LPF）進(jìn)一步平滑并濾掉帶外雜散信號(hào)，得到所需正弦波波形。圖7.1.1DDS基本結(jié)構(gòu)框圖DDS的輸出頻率fo和基準(zhǔn)時(shí)鐘fc、相位累加器長(zhǎng)度N及頻率控制字FSW的關(guān)系為fo=fc·FSW/2N

（7.1.1）DDS的頻率分辨率為fo=

fc/2N

（7.1.2）由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特（Nyquist）抽樣定理限制，所以有fmax

=fc/2（7.1.3）常用的可編程DDS結(jié)構(gòu)如圖7.1.2所示。該DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由兩個(gè)加法器Σ和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為24～32位。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘fc，相位寄存器以步長(zhǎng)M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經(jīng)過(guò)2N/M個(gè)fc時(shí)鐘后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)地正弦查詢表經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)回到起始位置，整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。圖7.1.2常用的可編程DDS結(jié)構(gòu)輸出的正弦波周期為（7.1.4）輸出頻率為

（7.1.5）頻率分辨率為（7.1.6）一個(gè)頻率/相位/幅度可編程DDS結(jié)構(gòu)如圖7.1.3所示。其中，參考信號(hào)為高穩(wěn)定的晶體振蕩器，其輸出信號(hào)為DDS各個(gè)部分提供同步；相位累加器是DDS的核心，它由一個(gè)N位字長(zhǎng)的二進(jìn)制加法器和一個(gè)由時(shí)鐘fc取樣的N位寄存器組成，作用是對(duì)頻率控制字K進(jìn)行線性累加；波形存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的是一張函數(shù)波形查詢表，對(duì)應(yīng)不同的相位碼址輸出不同的幅度編碼。當(dāng)相位控制字為0，幅度控制字為1時(shí)，相位累加器輸出的相位序列對(duì)波形存儲(chǔ)器尋址，得到一系列離散的幅度編碼。該幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到對(duì)應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器平滑后可得到所需的模擬波形。圖7.1.3頻率/相位/幅度可編程DDS結(jié)構(gòu)設(shè)相位累加器字長(zhǎng)為N，則DDS輸出頻率fo和頻率最小分辨率fmin為（7.1.7）（7.1.8）通過(guò)改變相位控制字P可以控制輸出信號(hào)的相位參數(shù)，令相位加法器的字長(zhǎng)為M，當(dāng)相位控制字由0躍變到P（P0）時(shí)，波形存儲(chǔ)器的輸入為相位累加器的輸出與相位控制字P之和，因而其輸出的幅度編碼相位會(huì)增加2P/2M，使最后輸出的模擬信號(hào)產(chǎn)生相移。相移最小步進(jìn)Pmin主要取決于相位加法器的字長(zhǎng)M，最小相移分辨率Pmin則取決于相位累加器的字長(zhǎng)N，如式（7.1.9）和式（7.1.10）所示。（7.1.9）（7.1.10）DDS輸出信號(hào)的幅度可通過(guò)在波形存儲(chǔ)器之后插入一個(gè)數(shù)字相乘器來(lái)實(shí)現(xiàn)，幅度控制字A起到對(duì)波形存儲(chǔ)器的輸出幅度編碼進(jìn)行加權(quán)的作用。由以上分析可知，當(dāng)DDS的相位累加器字長(zhǎng)和相位加法器字長(zhǎng)固定后，通過(guò)改變K、P、A可有效地控制DDS輸出模擬信號(hào)的頻率、相位和幅度。圖7.1.3所示的DDS是一個(gè)全數(shù)字結(jié)構(gòu)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)反饋環(huán)節(jié)，因此其速度極快，一般都在毫微秒量級(jí)。由于全數(shù)字結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致DDS的致命缺陷即雜波分布廣泛，當(dāng)落入輸出頻帶內(nèi)時(shí)，則無(wú)法濾除。雜散干擾主要是由于數(shù)字器件的非理想特性而帶來(lái)的幅度量化誤差、相位截?cái)嗾`差等因素所致。其主要雜波分量遵循Nyquist抽樣定理，雜波分量出現(xiàn)在參考頻率與輸出頻率的組合處，即nfcfo(n=0,1,2,…)處。如圖7.1.4所示，在fo處的信號(hào)最強(qiáng)，距輸出頻率最近的雜波分量為fcfo。圖7.1.4DDS的雜波分量7.1.2組合式頻率合成器結(jié)構(gòu)常用的頻率合成方法有模擬直接頻率合成、鎖相頻率合成和直接數(shù)字合成DDS三種。三種頻率合成方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在技術(shù)指標(biāo)要求高的頻率合成器中，常采用上述三種方法相結(jié)合的合成方法，即組合式頻率合成法。組合式頻率合成通常有三種方法：即模擬直接合成+DDS，PLL+DDS，模擬直接+PLL+DDS等。模擬直接合成+PLL+DDS組合式頻率合成方法如圖7.1.5所示。圖中晶振fr、諧波發(fā)生器和帶通選頻濾波器BF構(gòu)成模擬直接合成法——諧波選頻合成法產(chǎn)生頻率fL，PLL為混頻鎖相環(huán)，它把DDS輸出的高分辨率頻率（fr+NF）與fL相加后輸出fo，即（7.1.11）式中，F(xiàn)為DDS頻率分辨率，DDS可以產(chǎn)生的F在1Hz以下的高分辨率；N為某一范圍內(nèi)的正整數(shù)。圖7.1.5模擬直接合成+PLL+DDS組合式頻率合成方法7.1.3頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)由于頻率合成器的應(yīng)用范圍很廣，不同用途的頻率合成器其性能要求差別很大，因此很難用統(tǒng)一的一系列指標(biāo)來(lái)表征所有頻率合成器的性能。這里僅介紹在通信機(jī)中使用的頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)。1．頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍，也可以用頻率覆蓋系數(shù)表示，即（7.1.12）如果k>2～3時(shí)，一般VCO是很難滿足這一輸出頻率范圍的，實(shí)踐中可以把整個(gè)頻段分為幾個(gè)分波段，每個(gè)分波段由一個(gè)VCO來(lái)滿足分波段頻率范圍。2．頻率分辨率fo

——輸出頻率間隔頻率分辨率fo是指相鄰兩個(gè)輸出頻率之間的間隔，故也稱為輸出頻率間隔，或頻率步進(jìn)間隔。在通信系統(tǒng)中希望波段內(nèi)的頻率通道盡可能多，以滿足通信的要求，所以，希望fo盡可能小。目前PLL頻率合成器可以做到fo為100kHz、10Hz或1Hz，而DDS合成器則可以做到1Hz以下。3．頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器的實(shí)際輸出頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度。標(biāo)稱頻率是指國(guó)際和國(guó)內(nèi)統(tǒng)一定標(biāo)的基準(zhǔn)頻率。頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，合成器輸出頻率的變化大小。頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度之間既有區(qū)別也有聯(lián)系，只有穩(wěn)定了才能準(zhǔn)。在實(shí)踐中通常將輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的偏差也計(jì)在不穩(wěn)定偏差之內(nèi)，所以只提出一個(gè)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)也就可以了。頻率穩(wěn)定度可以分為長(zhǎng)期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度和瞬時(shí)穩(wěn)定度，但無(wú)嚴(yán)格的界限。長(zhǎng)期穩(wěn)定度是指一年、一月內(nèi)的頻率變化，主要由晶體和元器件老化所決定。短期穩(wěn)定度是指日、小時(shí)內(nèi)的頻率變化，主要因素是內(nèi)部電路參數(shù)的變化、外部電源的波動(dòng)、溫度變化及其他環(huán)境因素的變化。瞬時(shí)穩(wěn)定度是指秒、毫秒間隔內(nèi)的隨機(jī)頻率變化，主要因素是干擾和噪聲，實(shí)踐中瞬時(shí)穩(wěn)定度在頻域范圍內(nèi)表現(xiàn)為相位噪聲頻譜，通常用“功率頻譜密度”表示。在模擬直接頻率合成器、鎖相頻率合成器和DDS合成器中，輸出頻率的穩(wěn)定度主要取決于參考頻率的穩(wěn)定度。4．換頻時(shí)間ts換頻時(shí)間ts是指合成器輸出頻率從一個(gè)頻率點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率點(diǎn)并穩(wěn)定工作所需的時(shí)間。換頻時(shí)間ts對(duì)不同的合成方式是完全不同的：對(duì)于模擬直接合成法ts可以做到毫秒（ms）級(jí)以下，甚至可以達(dá)到微秒（s）；而對(duì)DDS合成法，目前已可以做到納秒（1ns=109s）級(jí)；而PLL合成法的ts主要取決于環(huán)路的鎖定時(shí)間，如果環(huán)路中還有頻率搜索電路，則搜索時(shí)間也應(yīng)計(jì)在ts內(nèi)。目前PLL頻率合成的換頻時(shí)間ts大約為參考頻率周期的25倍左右。在通信系統(tǒng)中，一般要求頻率合成器的ts小于幾十個(gè)毫秒。而在時(shí)分多址和跳頻體制的通信系統(tǒng)中，則要求ts在微秒級(jí)、甚至納秒級(jí)，滿足這種要求目前只能采用DDS合成法和組合式DDS合成法。5．頻譜純度頻譜純度是指頻率合成器輸出頻率信號(hào)接近純正弦波的程度。實(shí)際合成器的輸出信號(hào)中含有大量不需要的頻譜分量，這些分量主要表現(xiàn)為兩種形式，即寄生干