DDS芯片基礎(chǔ)介紹

1 直接數(shù)字頻率合成器(DDS)是如何工作的?

　　DDS至少包括帶相位調(diào)制器的數(shù)字控制振蕩器(NCO)、將相位信息轉(zhuǎn)換為幅度的模塊，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)三個部分。在DAC之前可能還會有一個同相/正交(I/Q)調(diào)制器。

　　下面介紹DDS的工作原理。在模擬域的正弦波中，單個頻率fa, 的相位角以下面的速度旋轉(zhuǎn)一個固定角度：

　　ω=Δphase/Δt=2πfa,

　　相位角相對于時間的變化與正弦波頻率呈線性關(guān)系，在每個正弦波周期結(jié)束時相位角為0。在數(shù)字域，上述方程式中的Δt為采樣時鐘頻率fs的倒數(shù)，這表明對任何給定的采樣：

　　fa=Δphase*fs /2π

　　DDS中的相位累加器生成輸出信號的相位信息，它通常基于一個32位的頻率調(diào)節(jié)字(FTW)，代表了Δphase。顯然，32位的FTW能夠保證DDS輸出頻率的高分辨率。通過另外的相位寄存器累加相位偏移量來完成相位調(diào)制。

　　這個相位信息直接映射為輸入字決定的頻率的幅度信息，然后DDS中的一個模塊將相位信息轉(zhuǎn)換為幅度值。

　　傳統(tǒng)上由保存在內(nèi)存中的正弦/余弦查找表來完成這項任務(wù)。為控制查找表的大小，并不是FTW中所有的位都被用于查找表，盡管它們可在選擇fa上提供高分辨率。該模塊的輸出為DAC的輸入，DAC則產(chǎn)生一個幅度序列，然后由低通濾波器對DAC的輸出進(jìn)行平滑處理。

　　2 DDS有什么優(yōu)勢?

　　DDS的數(shù)字本質(zhì)能提供高度的靈活性、重復(fù)性和精確度。由于輸出由數(shù)字計算得到，所以只要參考時鐘穩(wěn)定，輸出結(jié)果不會隨時間變化發(fā)生偏移。如果仔細(xì)做好頻率規(guī)劃，DDS還能提供最大的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。

　　3 哪些應(yīng)用采用DDS技術(shù)?

　　DDS最初被用于可調(diào)諧的本振和信號發(fā)生器，以實現(xiàn)各種調(diào)制。最新的DDS芯片除了上述用途外，還被用于醫(yī)學(xué)成像、單邊帶載波抑制調(diào)制、相控雷達(dá)和聲納應(yīng)用、時鐘源，以及聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)。

　　AOTF是一種固態(tài)電子可調(diào)諧光帶通濾波器，它使得從多譜線或?qū)拵Ч庠粗刑崛我徊ㄩL成為可能。施加在AOFT轉(zhuǎn)換器上的RF信號的頻率控制輸出光的波長，RF信號的振幅則控制光的強(qiáng)度。

　　直接數(shù)字頻率合成器的基本組成部分，每部分都給出了代表性的波形

　　4 單片集成電路DDS芯片的發(fā)展歷程是什么?

　　雖然DDS技術(shù)至少從上世紀(jì)70年代開始就已在使用，但在上世紀(jì)90年代中期以前，它一直采用多芯片來實現(xiàn)。最慢且最昂貴的元件(DAC)限制了它的性能。第一款單芯片DDS出現(xiàn)于1994年，它們將DAC與其它電路集成在一起，簡化了實現(xiàn)過程并降低了成本。

　　5 最新DDS芯片有什么不同特性?

　　如今，具有72dB通道隔離度的雙通道芯片和具有65dB通道隔離度的四通道芯片已經(jīng)上市。它們的時鐘最快可達(dá)500Msps，能提供以116MHz為步長、從DC到200MHz的頻率輸出。(由于諧波與時鐘的帶內(nèi)混疊較難濾除，所以fmax略低于NyquiST準(zhǔn)則。)直接數(shù)字頻率合成器的基本組成部分，每部分都給出了代表性的波形。

　　在架構(gòu)上正在用算法替代查找表，從而更加有效地將相位信息轉(zhuǎn)換為幅度信息。新的特性能夠?qū)λ型ǖ赖淖钚抡穹?、頻率和相位信息同步加載。

　　這些芯片的性能更好、SFDR更高，并且FTW的更新速度也更快。在速度最快的新IC中， FTW能夠在50ns內(nèi)更新，比以前的芯片快32倍。雖然如此，芯片的功耗卻更低，在多通道DDS芯片中，每通道功耗降低至165mW左右。

　　這些芯片能夠針對兩級直接調(diào)制、線性掃描或單音信號生成的任意組合進(jìn)行編程，且不受引腳限制。在一定的限制條件下，也可以同時進(jìn)行4級、8級和16級調(diào)制。

　　另外，還可選擇對幅度、頻率或相位進(jìn)行調(diào)制。漸變特性使得在調(diào)制數(shù)據(jù)序列的前后實現(xiàn)幅度的漸變。此外，可以對幅度、頻率或相位的兩點之間的掃描進(jìn)行精確步長控制。

　　6 最新DDS芯片還有什么其它新的功能?

　　一些新型雙通道和四通道芯片使設(shè)計工程師可以選擇相對于每個通道的相位偏移。經(jīng)過改進(jìn)的同步技術(shù)能夠管理具有更多通道的應(yīng)用。