【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高 或低的振蕩器。 波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)尋址和直接數(shù)字頻率合成等多種方式。 程序控制輸出方式 計(jì)算機(jī)根據(jù)波形的函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出一系列波形數(shù)據(jù)瞬時(shí)值，并定時(shí)地逐個(gè)傳送給 D／ A 轉(zhuǎn)換器，合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。但數(shù)據(jù)輸出定時(shí)不準(zhǔn)確，會(huì)影響信號(hào)的頻率和相位；波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來(lái)完成，當(dāng)需要同時(shí)輸出多個(gè)信號(hào)時(shí)，相鄰信號(hào)通道的輸出存在時(shí)間差；受計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制，輸出信號(hào)的頻率較低。 可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址方式 采用可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 尋址波形存儲(chǔ)器表，該方法是一種傳統(tǒng)型任意波形發(fā)生器。原理框圖如圖 11 所示。 圖 11 可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址的波形發(fā)生器 可 變 時(shí) 鐘 源 計(jì) 數(shù) 器 波 形 存 儲(chǔ) 器 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 化 器 低 通 濾 波 器 圖中的計(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)地址發(fā)生器 ,計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)鐘脈沖由一個(gè)頻率可 以控制的頻率發(fā)生器產(chǎn)生 ,通過(guò)改變頻率發(fā)生器的頻率設(shè)置值 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)整計(jì)數(shù)器 生的地址變化速率 ,從而改變輸出的任意波形的頻率。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供出存儲(chǔ)器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號(hào) ,波形數(shù)據(jù)被依次讀出后送至高速Ｄ /Ａ轉(zhuǎn)換器 ,將之轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量 ,經(jīng)低通濾波器后輸出 所需的波形。 可見傳統(tǒng)的任意波形發(fā)生器采用可變時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器尋址波形存儲(chǔ)器表 ,此方 法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的地址連續(xù)，輸出波形質(zhì)量高。但其取樣時(shí)頻率較高 ,對(duì)硬件的要求也較高 ,而且常需多級(jí)分頻或采用高性能的鎖相環(huán) ,其中分頻式的任意波形發(fā)生器頻率分辨率低 ,鎖相式的任意波形發(fā)生器頻率切換速度慢。 直接數(shù)字頻率合成方式 DDS(direct digital synthesizer)是在一組存儲(chǔ)器單元中按照信號(hào)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸出次序存儲(chǔ)了將要輸出波形的數(shù)據(jù)，在控制電路的協(xié)調(diào)控制下，以一定的速率，周而復(fù)始地將波形數(shù)據(jù)依次發(fā) 送給 D／ A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。由于用硬件電路取代了計(jì)算機(jī)的控制，信號(hào)輸出穩(wěn)定度高。如需更新輸出信號(hào)，不必改動(dòng)任何線路和元器件，只需改寫存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)即可。更主要的是，可以將微處理器從信號(hào)輸出的負(fù)擔(dān)中解脫出來(lái)．如圖 12 為其工作流程圖。 圖 12 直接數(shù)字合成方式的波形發(fā)生器 頻率信號(hào)源 頻率控 制 地址發(fā)生器 D/A轉(zhuǎn)換器 濾波器 波形存儲(chǔ)器 頻率設(shè)置 波形數(shù)據(jù)設(shè)置 信號(hào)輸出 2 直接數(shù)字頻率合成器的原理及性能 頻率合成器簡(jiǎn)介 頻率合成技術(shù)概述 所謂頻率合成法就是 指從一個(gè)高穩(wěn)定和準(zhǔn)確的參考頻率源，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理，生成大量離散的頻率輸出。頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生頻率源的一種現(xiàn)代化手段，已廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、電子偵察、干擾與反干擾、遙控遙測(cè)及現(xiàn)代化儀器儀表中。利用頻率合成技術(shù)制成的信號(hào)發(fā)生器，通常被稱為頻率合成器。頻率合成器既要產(chǎn)生所需要的頻率 ,又要獲得純凈的信號(hào)。從頻率合成所采用的技術(shù)來(lái)看 ,頻率合成的方法大致可分為直接合成和間接合成以及直接數(shù)字合成三種。 直接合成（ DirectFrequencySynthesis，簡(jiǎn)稱 DS）是通過(guò)倍頻器、分頻器、混頻器對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、 除運(yùn)算，得到各種所需頻率。直接頻率合成方法具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、近載頻相位噪聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于大量的倍頻，混頻等電路，就要有不少濾波電路，使合成器的設(shè)備結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。而且輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制。此方法只能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形，不能產(chǎn)生任意波形。 間接合成（ IndirectFrequencySynthesis，簡(jiǎn)稱 IS ）又稱鎖相頻率合成PhaseLockedLoop Frequency Synthesis，簡(jiǎn)稱 PLLFS），是利用 鎖相環(huán)路的窄帶跟蹤特性來(lái)得到不同的頻率。鎖相頻率合成器能提供長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度與短期頻率穩(wěn)定度都比較高且雜波少的信號(hào)輸出。目前在各種無(wú)線電臺(tái)中使用的頻率合成器普遍采用可變數(shù)字式鎖相環(huán)頻率合成器，通過(guò) CPU 控制可獲得不同的頻點(diǎn)。數(shù)字式頻率合成器能提供長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度與短期頻率穩(wěn)定度都比較高且雜波少的信號(hào)輸出，特點(diǎn)是波道數(shù)目多、體積小、易于數(shù)字化和集成化。但鎖相頻率合成器頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，且合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率和相位較難控制。數(shù)字鎖相環(huán)構(gòu)成的數(shù)字式頻率合成器是目前通信、儀表、雷達(dá)等電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一種 頻率合成技術(shù)。鎖相環(huán)式頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需頻率的信號(hào)，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是個(gè)惰性環(huán)節(jié)，鎖定時(shí)間較長(zhǎng)，故頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。除此之外，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率和相位都很難控制。同樣，此方法不能產(chǎn)生任意波形。 直接數(shù)字式頻率合成（ DirectDigitalFrequencySynthesis，簡(jiǎn)稱 DDS 或 DDFS）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新的頻率合成技術(shù)。它將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域，標(biāo)志著第三代 頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)。此方法是用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM 存儲(chǔ)一個(gè)波形周期的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求以頻率控制字為步進(jìn)對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換和濾波可得所需波形輸出。通過(guò)改變頻率控制字可以很方便地改變輸出頻率，通過(guò)更新存儲(chǔ)器的波形數(shù)據(jù)可以得到不同的波形輸出，即可實(shí)現(xiàn)任意波形輸出?；冢模模蛹夹g(shù)的頻率合成器有很高的頻率分辨率，可方便地實(shí)現(xiàn)頻率、相位調(diào)制功能 ,轉(zhuǎn)換速度快 ,且輸出波形的相位連續(xù)。已廣泛用于接收機(jī)本振、信號(hào)發(fā)生 器、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等，特別是跳頻 通信系統(tǒng)。 頻率合成器主要指標(biāo) 信號(hào)源的一個(gè)重要指標(biāo)就是能輸出頻率準(zhǔn)確可調(diào)的所需信號(hào)。一般傳統(tǒng)的信 號(hào)發(fā)生器采用諧振法，即用具有頻率選擇性的正反饋回路來(lái)產(chǎn)生正弦振蕩，獲得 所需頻率信號(hào)，但難以產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。利用頻 率合成技術(shù)制成的信號(hào)發(fā)生器，通常被稱為頻率合成器。頻率合成器既要產(chǎn)生所 需要的頻率 ,又要獲得純凈的信號(hào)。頻率合成器的主要指標(biāo)如下： ：指的是輸出的最小頻率和最大頻率之間的變化范圍。 ：指的是輸出頻率在一定時(shí)間間隔內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)頻率偏 差的數(shù)值，它分長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度三種。 ：指的是輸出頻率的最小間隔。 ：指的是輸出由一種頻率轉(zhuǎn)換成另一種頻率的時(shí)間。 ：頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來(lái)衡量，雜散分量為諧波分量和非諧波分量?jī)煞N，主要由頻率合成過(guò)程中的非線性失真產(chǎn)生，相位噪聲是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的參數(shù)。 ：指的是頻率合成器是否具有調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)、調(diào)相 (PM) 等功能。 DDS 的基本原理及性能特點(diǎn) 直接數(shù)字頻率合成 (Direct Digital Synthesis,簡(jiǎn)稱 DDS)技術(shù)是頻率合成領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)。 DDS 的設(shè)計(jì)思想完全是基于數(shù)值計(jì)算信號(hào)波形的抽樣值來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率合成的。 DDS 的工作原理是基于相位和幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,通過(guò)改變頻率控制字來(lái)改變 相位累加器的累加速度 ,然后在固定時(shí)鐘的控制下取樣 ,取樣得到的相位值通過(guò)相位幅度轉(zhuǎn)換得到與相位值對(duì)應(yīng)的幅度序列 ,幅度序列通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬形式量化的正弦波輸出。 圖 21 是 DDS 的結(jié)構(gòu)原理。 圖 21 DDS 的結(jié)構(gòu)原理 N 位加法器 N 位寄存器 波形存儲(chǔ)器 D/A轉(zhuǎn)換器 低通濾波器 相位累加器 參考時(shí)鐘源 fc fdds 頻率控制字K 其中相位累加器字長(zhǎng)為 N， DDS 控制時(shí)鐘頻率為 fc，頻率控制字為 K。 DDS直接從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。相位累加器由加法器與累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖 fc，加法器將頻率控制字 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)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)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(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累 加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是 DDS 輸出的信號(hào)頻率。 DDS 的核心就是相位累加器，利用它來(lái)產(chǎn)生信號(hào)遞增的相位信息，整個(gè) DDS 系統(tǒng)在統(tǒng)一的參考時(shí)鐘下工作，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器作加法運(yùn)算一次。加法運(yùn)算的步進(jìn)越大，相應(yīng)合成的相位值變化越快，輸出信號(hào)的頻率也就越高。對(duì)于幅值歸一化的正弦波信號(hào)的瞬時(shí)幅值完全由瞬時(shí)相位來(lái)決定，因?yàn)棣?=dφ (t) /dt,所以相位變化越快，信號(hào)的頻率越高。 ROM 表完成將累加器相位信息轉(zhuǎn)換為幅值信息的功 能。再由 D/A 完成數(shù)字抽樣信號(hào)到連續(xù)時(shí)域信號(hào)的轉(zhuǎn)換， D/A 輸出的臺(tái)階信號(hào)再經(jīng)低通濾波器平滑以得到精確的連續(xù)正弦信號(hào)波形。 相位累加器利用 Nbit 二進(jìn)制加法器的模溢出特性來(lái)模擬理想正弦波的 2π相位周期。相位累加器輸出和 ROM 輸出可分別理解為理想正弦波相位信號(hào)和時(shí)域波形的時(shí)鐘抽樣。 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ) 在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn) 換。波形存儲(chǔ)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(hào)。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(hào)。 圖 22 是 DDS 各點(diǎn)輸出信號(hào) 相位累加器字長(zhǎng)為 N， DDS 控制時(shí)鐘頻率為 fc，時(shí)鐘周期為 Tc=1/fc，頻率控制字為 K。系統(tǒng)工作時(shí)，累加器的單個(gè)時(shí)鐘周期的增量值為 Δψ=K*2π /2N ，相應(yīng)角頻率為ω =Δψ/Δt=Δψ/Tc =2π *K *fc/2N，所以 DDS 的輸出頻率為 fDDS =ω/2π = K *fc/2N， DDS 輸出的頻率步進(jìn)間隔 ΔfDDS= fc/2N。因 DDS 輸出信號(hào)是對(duì)正弦波的抽樣合成，所以應(yīng)滿足 Niqust 定理的要求，即 fDDS ≤ fc/2，也就是要求 K≤ 2N1，根據(jù)頻譜性能的要求，一般取 fDDS ≤ 。 當(dāng) DDS 相位累加器采用 32 位字長(zhǎng)，時(shí)鐘頻率為 30MHz 時(shí)，它的輸出頻率間隔可達(dá)到 ΔfDDS =fc/2N =50*106≈ =10mHz?？梢?， DDS 的基于累加器相位控制方式給它帶來(lái)了微步進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。 DDS 頻率合成器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá) 2N個(gè)頻點(diǎn) (假設(shè) DDS 相位累加器的字長(zhǎng)是 N)； (2)頻率切換速度快，可達(dá) us 量級(jí)；(3)頻率切換時(shí)相位連續(xù)； (4)可以輸出寬帶正交信號(hào)； (5)輸出相位噪聲低，對(duì)參考 頻率源的相位噪聲有改善作用： (6)可以產(chǎn)生任意波形： (7)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。 但