DDS电路基础课件

7.1DDS电路基础直接数字式频率合成器（DDS）是将先进的数字处理理论与方法引入频率合成的一项新技术，DDS把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号。7.1.1DDS（直接数字式频率合成器）

基本原理与结构DDS有两种基本合成方式：一种是根据正弦函数关系式，按照一定的时间间隔利用计算机进行数字递推关系计算，求解瞬时正弦函数幅值并实时地送入数/模转换器，从而合成出所要求频率的正弦波信号。这种合成方式具有电路简单、成本低、合成信号频率的分辨率可做得很高等优点，但由于受计算机速度的限制，合成信号频率较低，一般在几千赫兹左右；另一种合成方式是用硬件电路取代计算机的软件运算过程，即利用高速存储器将正弦波的M个样品存在其中，然后以查表的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速数/模转换器，变换成所设定频率的正弦波信号，这种合成方式由于采用高速存储器产生正弦波幅值数据，因此合成频率已可以做得很高，目前已达到数百兆赫。这就是目前使用最广泛的一种DDS频率合成方式。对于一个周期的正弦连续信号，可以沿其相位轴方向，以等量的相位间隔对其进行相位-幅值取样，得到一个周期的正弦波信号的离散相位幅值序列。然后，根据合成波形的精度要求，采用接近的整数值表示其相应的幅值序列。即对模拟幅值进行量化，量化后的幅值采用相应的二进制数据进行编码。这样就把一个周期的正弦波连续信号转换成一系列离散的二进制表示的数字量，然后通过一定的方法固化在只读存储器中，每个存储单元的地址就是相位取样地址，存储单元的内容即是已经量化的正弦波幅值。这样的一只只读存储器就构成了一个与0°～360°相位取样相对应的正弦函数功能表，只要输入相位地址，就可立即得到对应的正弦波幅值数据，从而取代了计算机对正弦函数关系的递推运算。由于只读存储器的工作速度很高，从而合成信号频率也就可以做高。所以，高速只读正弦波波形存储器是目前DDS频率合成的核心单元。现以正弦波为例进一步说明如下。在正弦波一周期（360°）内，按相位划分为若干等份，将各相位所对应的幅值A按二进制编码并存入ROM。设=6°，则一周期内共有60等份。由于正弦波对180°为奇对称，对90°和270°为偶对称，因此ROM中只需存0°～90°范围内的幅值码。若以=6°计算，在0°～90°之间共有15等份，其幅值在ROM中占16个地址单元。因为24=16，所以可以按4位地址码对数据ROM进行寻址。现设幅值码为5位，则在0°～90°范围内编码关系见表7.1.1。设基准时钟的频率为固定值fc在时钟的作用下，如果按照0000，0001，0010，…，1111的地址，顺序读出ROM中的数据，即表7.1.1中的幅值编码，其输出正弦信号频率为fo1；如果每隔一个地址读一次数据（即按0000，0010，0100，…，1110顺序），其输出信号频率为fo2，且fo2将比fo1提高一倍，即fo2=2fo1；其余类推。这样，就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节。上述过程是由控制电路实现的，由控制电路的输出决定选择数据ROM的地址（即正弦波的相位）。输出信号波形的产生是相位逐渐累加的结果，这由累加器实现，称为相位累加器。DDS基本结构框图如图7.1.1所示。DDS由相位累加器、正弦查询表、数/模转换器（DAC）和低通滤波器组成。图7.1.1中的参考时钟是一个稳定的晶体振荡器，用它来同步整个合成器的各个组成部分，相位累加器类似于一个简单的计数器，在每个时钟脉冲输入时，它的输出就增加一个步长的相位增量值。相位累加器把频率控制字FSW的数据变成相位抽样来确定输出频率的大小。相位增量的大小随外部指令FSW的不同而不同，一旦给定了相位增量，输出频率也就确定了。

图7.1.1中正弦查询表是一个可编程只读存储器（PROM），存有一个或多个完整周期的正弦波数据。在时钟fc驱动下，地址计数器逐步经过PROM存储器的地址，地址中相应的数字信号输出到N位数/模转换器（DAC）的输入端，由DAC转换成模拟信号。当用这样的数据寻址时，正弦查表就把存储在相位累加器中的抽样值转换成正弦波幅度的数字量函数。数/模转换器把数字量变成模拟量，低通滤波器（LPF）进一步平滑并滤掉带外杂散信号，得到所需正弦波波形。图7.1.1DDS基本结构框图DDS的输出频率fo和基准时钟fc、相位累加器长度N及频率控制字FSW的关系为fo=fc·FSW/2N

（7.1.1）DDS的频率分辨率为fo=

fc/2N

（7.1.2）由于DDS的输出最大频率受奈奎斯特（Nyquist）抽样定理限制，所以有fmax

=fc/2（7.1.3）常用的可编程DDS结构如图7.1.2所示。该DDS系统的核心是相位累加器，它由两个加法器Σ和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32位。每来一个时钟fc，相位寄存器以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过2N/M个fc时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到起始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。图7.1.2常用的可编程DDS结构输出的正弦波周期为（7.1.4）输出频率为

（7.1.5）频率分辨率为（7.1.6）一个频率/相位/幅度可编程DDS结构如图7.1.3所示。其中，参考信号为高稳定的晶体振荡器，其输出信号为DDS各个部分提供同步；相位累加器是DDS的核心，它由一个N位字长的二进制加法器和一个由时钟fc取样的N位寄存器组成，作用是对频率控制字K进行线性累加；波形存储器中所存储的是一张函数波形查询表，对应不同的相位码址输出不同的幅度编码。当相位控制字为0，幅度控制字为1时，相位累加器输出的相位序列对波形存储器寻址，得到一系列离散的幅度编码。该幅度编码经D/A转换后得到对应的阶梯波，最后经低通滤波器平滑后可得到所需的模拟波形。图7.1.3频率/相位/幅度可编程DDS结构设相位累加器字长为N，则DDS输出频率fo和频率最小分辨率fmin为（7.1.7）（7.1.8）通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数，令相位加法器的字长为M，当相位控制字由0跃变到P（P0）时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，因而其输出的幅度编码相位会增加2P/2M，使最后输出的模拟信号产生相移。相移最小步进Pmin主要取决于相位加法器的字长M，最小相移分辨率Pmin则取决于相位累加器的字长N，如式（7.1.9）和式（7.1.10）所示。（7.1.9）（7.1.10）DDS输出信号的幅度可通过在波形存储器之后插入一个数字相乘器来实现，幅度控制字A起到对波形存储器的输出幅度编码进行加权的作用。由以上分析可知，当DDS的相位累加器字长和相位加法器字长固定后，通过改变K、P、A可有效地控制DDS输出模拟信号的频率、相位和幅度。图7.1.3所示的DDS是一个全数字结构的开环系统，无反馈环节，因此其速度极快，一般都在毫微秒量级。由于全数字结构，导致DDS的致命缺陷即杂波分布广泛，当落入输出频带内时，则无法滤除。杂散干扰主要是由于数字器件的非理想特性而带来的幅度量化误差、相位截断误差等因素所致。其主要杂波分量遵循Nyquist抽样定理，杂波分量出现在参考频率与输出频率的组合处，即nfcfo(n=0,1,2,…)处。如图7.1.4所示，在fo处的信号最强，距输出频率最近的杂波分量为fcfo。图7.1.4DDS的杂波分量7.1.2组合式频率合成器结构常用的频率合成方法有模拟直接频率合成、锁相频率合成和直接数字合成DDS三种。三种频率合成方法各有其优缺点。在技术指标要求高的频率合成器中，常采用上述三种方法相结合的合成方法，即组合式频率合成法。组合式频率合成通常有三种方法：即模拟直接合成+DDS，PLL+DDS，模拟直接+PLL+DDS等。模拟直接合成+PLL+DDS组合式频率合成方法如图7.1.5所示。图中晶振fr、谐波发生器和带通选频滤波器BF构成模拟直接合成法——谐波选频合成法产生频率fL，PLL为混频锁相环，它把DDS输出的高分辨率频率（fr+NF）与fL相加后输出fo，即（7.1.11）式中，F为DDS频率分辨率，DDS可以产生的F在1Hz以下的高分辨率；N为某一范围内的正整数。图7.1.5模拟直接合成+PLL+DDS组合式频率合成方法7.1.3频率合成器的主要技术指标由于频率合成器的应用范围很广，不同用途的频率合成器其性能要求差别很大，因此很难用统一的一系列指标来表征所有频率合成器的性能。这里仅介绍在通信机中使用的频率合成器的主要技术指标。1．频率范围频率范围是指频率合成器输出最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围，也可以用频率覆盖系数表示，即（7.1.12）如果k>2～3时，一般VCO是很难满足这一输出频率范围的，实践中可以把整个频段分为几个分波段，每个分波段由一个VCO来满足分波段频率范围。2．频率分辨率fo

——输出频率间隔频率分辨率fo是指相邻两个输出频率之间的间隔，故也称为输出频率间隔，或频率步进间隔。在通信系统中希望波段内的频率通道尽可能多，以满足通信的要求，所以，希望fo尽可能小。目前PLL频率合成器可以做到fo为100kHz、10Hz或1Hz，而DDS合成器则可以做到1Hz以下。3．频率准确度和稳定度频率准确度是指频率合成器的实际输出频率偏离标称频率的程度。标称频率是指国际和国内统一定标的基准频率。频率稳定度是指在一定时间间隔内，合成器输出频率的变化大小。频率准确度和稳定度之间既有区别也有联系，只有稳定了才能准。在实践中通常将输出频率相对于标称频率的偏差也计在不稳定偏差之内，所以只提出一个频率稳定度指标也就可以了。频率稳定度可以分为长期稳定度、短期稳定度和瞬时稳定度，但无严格的界限。长期稳定度是指一年、一月内的频率变化，主要由晶体和元器件老化所决定。短期稳定度是指日、小时内的频率变化，主要因素是内部电路参数的变化、外部电源的波动、温度变化及其他环境因素的变化。瞬时稳定度是指秒、毫秒间隔内的随机频率变化，主要因素是干扰和噪声，实践中瞬时稳定度在频域范围内表现为相位噪声频谱，通常用“功率频谱密度”表示。在模拟直接频率合成器、锁相频率合成器和DDS合成器中，输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。4．换频时间ts换频时间ts是指合成器输出频率从一个频率点转换到另一个频率点并稳定工作所需的时间。换频时间ts对不同的合成方式是完全不同的：对于模拟直接合成法ts可以做到毫秒（ms）级以下，甚至可以达到微秒（s）；而对DDS合成法，目前已可以做到纳秒（1ns=109s）级；而PLL合成法的ts主要取决于环路的锁定时间，如果环路中还有频率搜索电路，则搜索时间也应计在ts内。目前PLL频率合成的换频时间ts大约为参考频率周期的25倍左右。在通信系统中，一般要求频率合成器的ts小于几十个毫秒。而在时分多址和跳频体制的通信系统中，则要求ts在微秒级、甚至纳秒级，满足这种要求目前只能采用DDS合成法和组合式DDS合成法。5．频谱纯度频谱纯度是指频率合成器输出频率信号接近纯正弦波的程度。实际合成器的输出信号中含有大量不需要的频谱分量，这些分量主要表现为两种形式，即寄生干