直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計方法

摘要：討論了DDS的工作原理及性能性點，介紹了目前實現(xiàn)DDS常用的三種技術(shù)方案，并對各方案的特點作了簡單的說明。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成器 相位累加器 信號源 現(xiàn)場可編程門限列
1971年，美國學(xué)者J.Tierney等人撰寫的“A Digital Frequency Synthesizer”-文首次提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新給 成原理。限于當(dāng)時的技術(shù)和器件產(chǎn)，它的性牟指標尚不能與已有的技術(shù)盯比，故未受到重視。近1年間，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS或DDFS）得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的姣姣者。具體體現(xiàn)在相對帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、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、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價比。

1 DDS基本原理及性能特點
DDS的基本大批量是利用采樣定量，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖1來表示。
相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖fs，加法器將控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位加累加。由此可以看出，相位累加器在每一個中輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的出頻率就是DDS輸出的信號頻率。
用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（ROM）的相位取樣地址。這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值（二進制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。
DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分頭放力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。

（1）輸出頻率相對帶寬較寬
輸出頻率帶寬為50%fs（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計難度以及對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fs。
（2）頻率轉(zhuǎn)換時間短
DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率時間等于頻率控制字的傳輸，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時間越短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間可達納秒數(shù)量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。
（3）頻率分辨率極高
若時鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是則相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級，許多小于1mHz甚至更小。
（4）相位變化連續(xù)
改變DDS輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號相位的連續(xù)性。
（5）輸出波形的靈活性
只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM，即可以方便靈活地實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外，只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當(dāng)DDS的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。

（6）其他優(yōu)點
由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價比極高。

DDS也有局限性，主要表現(xiàn)在：
（1）輸出頻帶范圍有限
由于DDS內(nèi)部DAC和波形存儲器（ROM）的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻有限。目前市場上采用CMOS、TTL、ECL工藝制作的DDS工習(xí)片，工作頻率一般在幾十MHz至400MHz左右。采用GaAs工藝的DDS芯片工作頻率可達2GHz左右。
（2）輸出雜散大
由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了雜散。其來源主要有三個：相位累加器相位舍位誤差造成的雜散；幅度量化誤差（由存儲器有限字長引起）造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散。

2 實現(xiàn)DDS的三種技術(shù)方案
2.1 采用高性能DDS單片電路的解決方案
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，目前高超 性能優(yōu)良的DDS產(chǎn)品不斷推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司單片電路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時間為0.1μs;美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850、AD9851、可以實現(xiàn)線性調(diào)頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調(diào)制器AD9853、數(shù)字上變頻器AD9856和AD9857.AD公司的DDS系列產(chǎn)品以其較高的性能價格比，目前取得了極為廣泛的應(yīng)用。AD公司的常用DDS芯片選用列表見表1.下面僅對比較常用的AD9850芯片作一簡單介紹。

表1 AD公司的常用DDS芯片選用列表
型 號 最大工作(MHz) 工作電壓（V） 最大功耗（mw) 備 注
AD9832 25 3.3/5 120 小型封裝，串行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9831 25 3.3/5 120 低電壓，經(jīng)濟，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9833 25 2.5～5.5 20 10個管腳的uSOIC封裝。
AD9834 50 2.5～5.5 25 20個管腳的TSSOP封裝并內(nèi)置比較器。
AD9835 50 5 200 經(jīng)濟，小型封裝，串行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9830 50 5 300 經(jīng)濟，并行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9850 125 3.3/5 480 內(nèi)置比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9853 165 3.3/5 1150 可編程數(shù)字QPSK/16-QAM調(diào)制器。
AD9851 180 3/3.3/5 650 內(nèi)置比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和時鐘6倍頻器。
AD9852 300 3.3 1200 內(nèi)置12位的D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器、線性調(diào)頻和可編程參考時鐘倍頻器。
AD9854 300 3.3 1200 內(nèi)置12位兩路正交D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器和可編程參考時鐘倍頻器。
AD9858 1000 3.3 2000 內(nèi)置10位的D/A轉(zhuǎn)換器、150MHz相頻檢測器、充電汞和2GHz混頻器。
AD9850是AD公司采用先進的DDS技術(shù)1996年推出的高集成度DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。接上精密時鐘源，AD9850可產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波可直接用作頻率信號源或轉(zhuǎn)換成方波用作時鐘輸出。AD9850接口控制簡單，可以用8位并行口或串行口經(jīng)、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時鐘下，輸出頻率分產(chǎn)率達0.029Hz。先進的CMOS工藝使AD9850不僅性能指標一流，而且功耗少，在3.3V供電時，功耗僅為155mW。擴展工業(yè)級溫度范圍為-40～+85攝氏度，其封裝是28引腳的SSOP表面封裝。

AD9850采用32位相位累加器，截斷成14位，輸入正弦查詢表，查詢表輸出截斷成10位，輸入到DAC。DAC輸出兩個互補的模擬電流，接到濾波器上。調(diào)節(jié)DAC滿量程輸出電流，需外接一個電阻Rset，其調(diào)節(jié)關(guān)系是Iset=32（1.248V/Rset），滿量程電流為10～20mA。

2.2 采用低頻正弦波DDS單片電路的解決方案
Micro Linear公司的電源管理事業(yè)部推出低頻正弦波DDS單片電路ML2035以其價格低廉、使用簡單得到廣泛應(yīng)用。ML2035特性：（1）輸出頻率為直流到25kHz，在時鐘輸入為12.352MHz野外頻率分辨率可達到1.5Hz（-0.75～+0.75Hz），輸出正弦波信號的峰-峰值為Vcc；（2）高度集成化，無需或僅需極少的外接元件支持，自帶3～12MHz晶體振蕩電路；（3）兼容的3線SPI串行輸入口，帶雙緩沖，能方便地配合單片機使用；（4）增益誤差和總諧波失真很低。
ML2035為DIP-8封裝，各引腳功能如下：
（1）Vss：-5V電源；
(2)SCK：串行時鐘輸入，在上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖入16位移位寄存器；
（3）SID：串行數(shù)據(jù)輸入，該串行數(shù)據(jù)為頻率控制字，決定6腳輸出的頻率；
（4）LATI：串行數(shù)據(jù)鎖存，在下降沿將頻率控制字鎖入16位數(shù)據(jù)鎖存器；
（5）Vcc：+5電源；
（6）Vout：模擬信號輸出；
（7）GND：公共地，輸入、輸出均以此點作為參考點；
（8）CLK IN：時鐘輸入，可外接時鐘或石英晶體。

ML2035生成的頻率較低（0～25kHz），一般應(yīng)用于一些需產(chǎn)生的頻率為工頻和音頻的場合。如用2片ML2035產(chǎn)生多頻互控信號，并與AMS3104（多頻接收芯片）或ML2031/2032（音頻檢波器）配合，制作通信系統(tǒng)中的收發(fā)電路等。
可編程正弦波發(fā)生器芯片ML2035設(shè)計巧妙，具有可編程、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，應(yīng)用范圍廣泛。很適合需要低成本、高可靠性的低頻正弦波信號的場合。
ML2037是新一代低頻正弦波DDS單片電路，生成的最高頻可達500kHz。

2.3 自行設(shè)計的基于FPGA芯片的解決方案
DDS技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件?？删幊踢壿嬈骷云渌俣雀?、規(guī)模在、可編程，以及有強大EDA軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)DDS技術(shù)。Altera是著名的PLD生產(chǎn)廠商，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性價比的優(yōu)點，此外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera的產(chǎn)品獲得了廣泛的應(yīng)用。Altera的產(chǎn)品有多個系列，按照推出的先后順序依次為Classic系列、MAX（Multiple Array Matrix）系列、FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列、APEX（Advanced Logic Element Matrix）系列、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等。

Max+plusII是Altera提供的一個完整的EDA開發(fā)軟件，可完成從設(shè)備輸入、編譯、邏輯綜合、器件適配、設(shè)計仿真、定時分析、器件編程的所有過程。QuartusII是Altera近幾年來推出的新一代可編程邏輯器件設(shè)計環(huán)境，其功能更為強大。

用Max+plusII設(shè)計DDS系統(tǒng)數(shù)字部分最簡單的方法是采用原理圖輸入。相位累加器調(diào)用lmp_add_sub加減法器模擬，相位累加器的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的速度，采用流水線技術(shù)能大幅度地提升速度。波形存儲器（ROM）通過調(diào)用lpm_rom元件實現(xiàn)，其LPM_FILE的值*.mif是一個存放波形幅值的文件。波形存儲器設(shè)計主要考慮的問題是其容量的大小，利用波形幅值的奇、偶對稱特性，可以節(jié)省3/4的資源，這是非?？捎^的。為了進一步優(yōu)化速度的設(shè)計，可以選擇菜單Assign|Globan Project Logic Synthesis的選項Optimize10（速度），并設(shè)定Global Project Logic Synthesis Style為FAST，經(jīng)寄存器性能分析最高頻率達到100MHz以上。用FPGA實現(xiàn)的DDS能工用在如此之高的頻率主要依賴于FPGA先進的結(jié)構(gòu)特點。

雖然有的專用DDS芯片的功能也比較多，但控制方式卻是固定的，因此不一定是我們所需要的。而利用FPGA則可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，具有良好的實用性。就可成信號質(zhì)量而言，專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小，可以輸出高質(zhì)量的模擬信號；利用FPGA也能輸出較高質(zhì)量的信號，雖然達不到專用DDS芯片的水平，但信號精度誤差在允許范圍之內(nèi)。

DDS問世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲這兩個主要缺點阻礙了DDS的發(fā)展與實際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃?。隨著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。