直接数字式频率合成器DDS

1、直接数字式频率合成器DDS2010-04-25 18:06 直接数字频率合成技术（Direct DigitalFrequencySynthesis，即DDFS，一般简称DDS）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。 DDS的工作原理是以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦波（SineWave）。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度相位转换电路、DA转换器和低通滤波器（LPF）。其中，频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据（Frequency Data或相位步进量PhaseIncrement）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对

2、代表频率的二进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度相位转换电路实质是一个波形存储器（WaveformMemory），以供查表使用。读出的数据送入DA转换器和低通滤波器。具体工作过程如下：每来一个时钟脉冲Fclk，N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加；另一方面，将这个值作为取样地址值送入幅度相位转换电路（即波形存储器），幅度相位转换电路根据这个地址值输出相应的波形数据。最后，经数模

3、转换（DAConverter）和低通滤波器（LowPass Filter）将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，这个周期也就是DDS合成信号的一个频率周期。DDS输出信号的频率由式（1）给定：Fout（XY）Fclk（1）例如，我们假定基准时钟为70 MHz，累加器为16位，则：Y21665，536Fclk70MHz再假定X4096，则：Fout409665536704375MHz可见，理论上通过设定DDS相位累加器位数频率控制字X和基准时钟Fclk的值，就可以产生任一频率的输出。而DDS

4、的频率分辨率定义为：FresFclkY（2）由于基准时钟一般固定，因此相位累加器的位数就决定了频率分辨率。比如上面的例子中，相位累加器为16位，那么频率分辨率就可以认为是16位。位数越多，分辨率越高。 DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达Hz级，相位控制小于0.09）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。直接数字频率合成（DDS）是近年来发展非常迅速的一种新型频率合成技术，它具有频率分辨率高、相位

5、噪声低、频率转换时间短等特点。首先简要介绍DDS的工作原理及其性能，然后主要阐述如何利用AD9851芯片设计一个高精度直接数字式合成频率源。 关键词：直接数字式频率合成；AD9851；频率分辨率；相位噪声随着现代电子技术的发展，在通信、雷达、宇航、仪表、电视广播、遥控遥测和电子测量仪器等应用领域，稳定度的晶体振荡器，其输出信号作为DDS合成频率的基准频率，同时保证DDS中各部件同步工作，频率控制字FCW来自计算机系统，它用来控制相位累加器的累加次数，从而改变输出频率fo的高低。DDS的工作实质是以参考频率源对相位进行等可控间隔的采样。 由于：f22t，其中为一个采样间隔t之间的相位增量，采样周

6、期t1fr，即：ffr（2），控制，就可以控制不同的频率输出。由频率控制字FCW控制：FCW22N（N为相位累加器的字长），改变FCW可得到不同的频率输出fo： DDS中输出滤波器采用LPF。由于DDS合成信号是正弦波时，DA输出的信号中有许多不需要的寄生谱分量，只有基波分量才是所需要的，因此在DA之后需跟一个低通滤波器。Nyquist准则允许输出频率最高为fr2，即FCW2N1，但实际中受LPF的限制，一般： DDS的主要优点是频率分辨率高，由式（2）可知，它的频率分辨率（即精度）由相位累加器的位数N决定；由式（3）可以看出，DDS的工作频带较宽，可合成从直流到04fr的频率信号；同时它的输

7、出相位连续，频率稳定度高。2一种高精度直接数字式频率合成器的设计 AD9851芯片是AD公司采用先进CMOS技术生产的最高时钟为180MHz、高集成度直接数字式频率合成器件。它由一个高速DDS，一个高速、高性能DAC以及比较器等构成一个完全数字控制可编程频率合成器，其时钟输入端内置一个6倍频乘法器，并且具有时钟产生功能。AD9851的原理框图如图2所示，可将其用作一个高精度可编程的数字频率合成器和时钟生成器。当参考时钟源的频率精度很高时，其输出数字化的模拟正弦波的频率和相位都很稳定，生成的正弦波经滤波后可直接用作频率源，也可通过内部的比较器转换成方波作时钟源。 AD9851的参考时钟输入可采用

8、温补石英晶体振荡器提供，编程启用AD9851内含的6倍频率乘法器。其所需控制字、频率控制字FCW以及相位控制字等数据由PC机通过PCI（PeripheralComponentInterconnect，即外围部件互连）总线以并行或串行异步方式提供，在PCI总线与AD9851之间利用PCI专用芯片组或PLD进行输入数据缓冲，AD9851的输出需经LPF滤波器滤波。系统总体原理框图如图3所示。 AD9851共包含40位控制码（D39D0），其作用是：（1）D39、D38用来控制AD9851数据输入的模式。AD9851的数据输入模式分为两种：并行输入模式和串行输入模式。在并行输入模式下，模式控制码为“

9、00”，由数据输入端D0D7每次8bits分数次输入频率控制字。在串行输入模式下，模式控制码为“11”。由数据输入端D7每次1bit依次输入频率控制字。（2）D37用来调节AD9851输出的功率。（3）D36D32相位调制码，用来控制AD9851的相位调制量。（4）D31D0，用来控制AD9851输出的频率。这32位频率控制码是由输入的频率值转换过来的。具体转换关系为PHASEfo（REFCLK232）。 AD9851中的DDS内核所需输入控制字由PC机提供。在进行频率控制时，首先送入相位调制码、功率调节码和输入模式控制码，然后送入32bits频率控制码。本系统中以软件方式设置AD9851工作

10、在并行数据输入模式。系统启动后，用户从键盘输入所需信号的频率值、初始相位值以及置AD9851的工作模式的控制字，计算机将频率值根据公式fo（REFCLK232）转换为频率相位控制字，将初始相位值按照公式PhasePhasein1125转换为相位调制字，准备送往AD9851频率控制输出板。在传输数据之前，计算机先向系统端口产生一个RESET上升沿信号，并延时7ns，使系统复位，再依次传输一个8bits的相位调制和置AD9851工作模式码以及32bits的频率控制码。每传输一次8bits的控制码后，需由软件产生一个有效的WCLK上升沿信号，将控制码送入AD9851输入数据寄存器中，重复五次后即可将

11、40bits的控制码全部加载到AD9851内部的数据寄存器中，最后产生一个有效的FQUD上升沿信号，将40bits的控制码全部加载到AD9851中的DDS频率合成单元中，经过13到18个时钟周期后，就可以获得所需要的频率输出信号。 主程序流程图如图4所示，包括：系统初始化，由用户输入所需的频率值，判断输入的频率值是否超出系统所限制的范围，由计算机完成输入频率值到AD9851所需频率相位控制码的转换，通过PCI扩展口将频率控制字送入AD9851数据寄存器，等待用户第二次输入新的频率值或结束任务。其驱动程序采用可视化编程工具VisualC60编写。3结论与展望 该系统中采用AD9851作为DDS核

12、心，其频率控制字N32bits，当系统输入时钟频率fr为180MHz时，其输出频率分辨率fres1801062320042Hz，最高输出频率fo40180MHz72MHz；AD9851还提供5bits的可编程相位调制字，其输出相位可以1125的增益改变。以AD9851芯片为核心构成的DDS频率源板卡实际输出频率范围从直流到70MHz，频率分辨率达004Hz，频谱纯度较高，频率转换速度快，相位连续，频率、相位调制方便，且在70MHz输出时SFDR43dB。对该频率源在不同情况下用HP8567型频谱仪进行了测试，得到了几种典型情况下的频谱图，其中在SYSCLK180MHz，启用6倍频器，Vs5V时

13、，701MHz基频输出信号时的宽带（DC72MHz）输出SFDR以及701MHz基频输出信号时的窄带（70101MHz）输出SFDR分别如图5（a）、（b）所示，结果基本达到了理论上给定的AD9851性能指标。 目前已集成化的DDS芯片主要有CMOS型、TTL型、ECL型、GaAs型等，其中CMOS型因其具有一系列优点而得到广泛应用，主要是AD公司和Qualcomm公司生产的CMOS型DDS芯片系列。随着DDS理论的不断完善和集成工艺技术水平的提高，DDS正向高时钟频率、高分辨率、极短频率捷变时间、低相位噪声、低杂散、集DAC于一体并同时具有多种调制功能的方向发展。 采用AD公司生产的一种典型的CMOS型DDS芯片AD9851研制的频率源被制成PCI板卡嵌入到PC机中，作为一种虚拟仪器使用，能够为各种通信系统提供高准确度和高稳定度的070MHz可调频率