轉載電子設計知識word版(編輯修改稿)
2025-06-12 17:39 本頁面
【文章內容簡介】 器 (DDS)是如何工作的 ? DDS 至少包括帶相位調制器的數(shù)字控制振蕩器 (NCO)、將相位信息轉換為幅度的模塊，以及數(shù)模轉換器 (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一個固定角度：ω =Δ phase/Δ t=2π fa,相位角相對于時間的變化與正弦波頻率呈線性關系，在每個正弦波周期結束時相位角為 0。在數(shù)字域，上述方程式中的Δ t 為采樣時鐘頻率 fs 的倒數(shù)，這表明對任何給定的采樣：fa=Δ phase*fs/2π。 DDS 中的相位累加器生成輸出信號的相位信息，它通?；谝粋€ 32位的頻率調節(jié)字 (FTW)，代表了Δ phase。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換為幅度值。傳統(tǒng)上由保存在內存中的正弦 /余弦查找表來完成這項任務。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 的輸出進行平滑處理。 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。 2 DDS 基本原理 DDS 由相位累加器、正弦查找表、 D/A 轉 換器和低通濾波器組成，其原理如下圖所示。 上圖中， fc 為時鐘頻率， K為頻率控制字， N為相位累加器的字長， m 為ROM 地址線位數(shù)， n 為 ROM 數(shù)據(jù)線寬度 (一般也為 D/A 轉換器的位數(shù) )， f0 為輸出頻率。相位累加器由加法器和 D 觸發(fā)器級聯(lián)組成。在時鐘脈沖 fc 的控制下，對輸入頻率控制字 K進行累加，累加滿量時產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應于該時刻合成周期信號的相位，并且這個相位是周期性的，在 0~2π范圍內變化。相位累加器位數(shù)為 N，最大輸出為 2N1，對應于 2π的相位，累加一次就輸出一個相應的相位碼，通過查表得到正弦信號的幅 度，然后經(jīng) D/A 轉換器轉換為模擬信號，由低通濾波器濾除雜散波和諧波以后，輸出一個頻率為 f0 的正弦波。輸出頻率 f0 由 fc和 K 共同決定。當頻率控制字為 K 時，相位累加器的增量步長為 K，經(jīng)過 2N/K 次累加，相位累加器滿量溢出，完成一個周期動作，輸出頻率 f0 與時鐘頻率 fc 之間的關系滿足從而， DDS 的最小頻率分辨率Δfmin 可達 DDS 的特點 (1)頻率分辨率高。 DDS 的頻率分辨率在 fc固定時，取決于相位累加器的位數(shù) N，只要 N 足夠大，理論上就可以獲得相應的分辨精度，這是傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的。 (2)頻率變換速度快。在 DDS 中，一個頻率的建立時間通常取決于濾波器的帶寬。影響因素為相位累加器， ROM 內的工藝結構， D/A 轉換器及其它信號處理過程中可能產(chǎn)生的時延。其中，信號處理的時延與時鐘周期相關。由于 DDS 中不要相位反饋控制，頻率建立及切換快，與頻率分辨率、頻譜純度相互獨立，明顯優(yōu)于 PPL。 (3)DDS 中相位改變是線性過程。數(shù)字相位累加器是優(yōu)良的線性數(shù)字增值發(fā)生器。因此， DDS 的相位誤差主要依賴于時鐘的相位特性，相位誤差小。另外，DDS 的相位是連續(xù)變化的，形成的信號具有良好的頻譜特性，這是傳統(tǒng)的直接頻率合成方法所無法實現(xiàn)的。 (4)輸出頻率范圍寬。理論上， DDS 輸出的頻率范圍在 0~fc/2，實際上，考慮到低通濾波器的設計，為 40%fc，而 FPGA 的時鐘頻率可達到 100MHz，因此，利用 FPGA，可以實現(xiàn)輸出頻率范圍很寬的正弦信號。 3 DDS 有什么優(yōu)勢 ? DDS 的數(shù)字本質能提供高度的靈活性、重復性和精確度。由于輸出由數(shù)字計算得到，所以只要參考時鐘穩(wěn)定，輸出結果不會隨時間變化發(fā)生偏移。如果仔細做好頻率規(guī)劃， DDS 還能提供最大的無雜散動態(tài)范圍 (SFDR)。 4哪些應用采用 DDS 技術 ? DDS 最初被用于可調諧的本振和信號發(fā)生器，以實現(xiàn) 各種調制。最新的 DDS芯片除了上述用途外，還被用于醫(yī)學成像、單邊帶載波抑制調制、相控雷達和聲納應用、時鐘源，以及聲光可調諧濾波器 (AOTF)。 AOTF 是一種固態(tài)電子可調諧光帶通濾波器，它使得從多譜線或寬帶光源中提取單一波長成為可能。施加在 AOFT 轉換器上的 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度。 5單片集成電路 DDS 芯片的發(fā)展歷程是什么 ? 雖然 DDS 技術至少從上世紀 70 年代開始就已在使用，但在上世紀 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。 6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 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混疊較難濾除，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。所以 fmax 略低于Nyquist 準則。 )在架構上正在用算法替代查找表，從而更加有效地將相位信息轉換為幅 度信息
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