【正文】 輯組件從最初的 1200 個(gè)可利用邏輯閘，發(fā)展到 90 年代的 25 萬(wàn)個(gè)可利用邏輯閘。后一部分則是分析 DDS 的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 DDS 的原理。 (2)輸出散雜大 由于 DDS 采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了散雜。目前市場(chǎng)上采用 CMOS， TTL， EcL，工藝制作的 DDS 芯片，工作頻率一般在幾十 MHz 至 400MHz 左右。當(dāng) DDS 的波形存儲(chǔ)器分 別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，即可得到正交的兩路輸出。 (5)輸出波形的靈活性 只要在 DDS 內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制 FM，調(diào)相控制 PM 和調(diào)幅控制AM 即可以方便靈活實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，調(diào)頻和調(diào)幅等功能，產(chǎn)生 FSK， PSK， ASK，MSK 等信號(hào)。目前，大多數(shù) DDS的分辨率在 1Hz 數(shù)量級(jí)， 許多小于 1mHz 甚至更小。 (3)頻率分辨率高 若時(shí)鐘 fs 的頻率不變， DDS 的頻率分辨率就是由相位累加器的位數(shù) N 決定。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。 圖 21 DDS 正弦信號(hào)發(fā)生器基本原理框圖 DDS 信號(hào)的優(yōu) 點(diǎn)與缺點(diǎn) DDS 的優(yōu)點(diǎn) (l)輸出頻率相對(duì)帶寬較寬 輸出頻率帶寬為 50%fs(理論值 )，實(shí)際輸出帶寬仍可達(dá)到 40%fs。只需要改變頻率控制字，就可以改變輸 出信號(hào)的頻率，因此，采用 DDS 技術(shù)，對(duì)輸出信號(hào)頻率的控制十分簡(jiǎn)單。頻率控制字越大，相位累加器的輸出變化越快， ROM 的地址變化也越快，輸出的正弦信號(hào)頻率越高。 c lkO U T222 ffM NN ???? ??Mff N ?? 2clkoutNff 2clk??? ? ? ?MMAfMMAAS kkN ???????? ????? ??? 1s i n11kout 22s i n)(s i n ???有了上述理論分析，我們就可以得到一種用數(shù)字的方法獲得正弦信號(hào)的方法：先構(gòu)建一個(gè) N 為的相位累加器，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將相位累加器中的值與頻率控制字相加，得到當(dāng)前的相位值。而正弦信號(hào)的幅值就是正弦信號(hào)的當(dāng)前相位值的函數(shù)。 將相位轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以后，式（ 21）就可以描述為如下形式： （ 27） 表示本周期相位值與前一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期的相位值的累加。當(dāng)參考時(shí)鐘頻率取 2N 時(shí) ，正弦信號(hào)的頻率就等于頻率控制字 M。 用頻率為 fclk 的基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行抽樣 ，這樣，在一個(gè)參考時(shí)鐘周)π2(s ins in outout tfAtAS ?? ?tfoutπ2??c lkoutc lkout π2π2 f fTf ????期 T 內(nèi)，相位的變化量為 （ 23） 由上式得到的 △ θ 為模擬量，為了將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量， 將 2π 切割成 2N 等份作為最小量化單位，從而得到 △ θ 的數(shù)字量 M 為： （ 24） 將式（ 23）帶入（ 24）得 （ 25） 式（ 25）表明，在參考時(shí)鐘頻 fclk 確定的情況下 ， 輸出正弦信號(hào)的頻率 fout決定于 M 的大小，并且與 M 呈線性關(guān)系。 對(duì)于一個(gè)頻譜純凈的單頻正弦信號(hào)可以用下式來(lái)描述： （ 21） 其相位為 （ 22） 顯然，該正弦信號(hào)相位和幅值均為連續(xù)變量。 DDS 的應(yīng)用領(lǐng)域包括各類無(wú)線通信、有線通信、網(wǎng)絡(luò)通信，各類需要頻率信號(hào)的儀器、儀表、遙測(cè)、遙感設(shè)備、收音機(jī)和電視機(jī)等 [10]。與大家熟悉的直接式和間接式（ PLL）頻率合成技術(shù)不同， DDS 技術(shù)完全采用數(shù)字技 術(shù)處理，屬于第三代頻率合成技術(shù)。 第 2 章 DDS 波形發(fā)生器的理論介紹 DDS 的基本原理與特點(diǎn) DDS 即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，是 由美國(guó)學(xué)者 , 和 于 1971 年首次提出， 是一種以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ) ,從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的全數(shù)字技術(shù)的頻率合成方法 。第四章是本問重點(diǎn)介紹的對(duì)象，里面主要包含了設(shè)計(jì)的具體思路包括系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)工作流程情況。其中第二章主要介紹DDS 的基本原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。就目前國(guó)內(nèi)的成熟產(chǎn)品來(lái)看，多為一些 PC 儀器插卡，獨(dú)立的儀器和 VXI 系統(tǒng)的模塊很少，并且我國(guó)目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國(guó)外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。 目前我國(guó)己經(jīng)開始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。 研究波形發(fā)生器的目的及意義 波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào) (各種波形 )，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù) [8]。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 早在 1978 年，由美國(guó) Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為 5MHz，可以形成 256 點(diǎn) (存儲(chǔ)長(zhǎng)度 )波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為 8bit，主要用于振動(dòng)、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號(hào)源，經(jīng)過將近 30 年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 頻率合成器被譽(yù)為電子系統(tǒng)的 “心臟 ”，頻率源的發(fā)展直接關(guān)系到電子系統(tǒng)性能的發(fā)展。 到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過GHz 的 DDS 芯片，同時(shí)也推動(dòng)了波形發(fā)生器的發(fā)展， 2021 年， Agilent 的產(chǎn)品33220A 能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M， 2021 年的產(chǎn)品 N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz 的頻率，采樣的頻率可達(dá) 。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的波形發(fā)生器、但是 HP 公司推出了型號(hào)為 HP770S 的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A 任 意波形數(shù)字化和HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。在 70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、 A/D 和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀 在 70 年代前，信號(hào)發(fā)生器主要有 兩類：正弦波和脈沖波。而傳統(tǒng)波形發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代電子測(cè)量的需要，正逐步退出歷史舞臺(tái)。不論是在生產(chǎn)還是在科研與教學(xué)上，波形發(fā)生器都是電子工程師信號(hào)仿真試驗(yàn)的最佳工具。 DDS 的數(shù)字部分，即相位累加器和查表，被稱為數(shù)控振蕩器（ NCO） [4]。 近 30 年來(lái)，隨著超大規(guī)模集成、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (Field Programmable Gate Array，簡(jiǎn)稱： FPGA)、復(fù)雜可編程器件 (Complex programmable Logic Device，簡(jiǎn)稱： CPLD)等技術(shù)的出現(xiàn)以及對(duì) DDS 理論上的進(jìn)一步探討，使得 DDS 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。 它是由美國(guó)人 首先提出來(lái)的 ,是一種以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ) ,從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的全數(shù)字技術(shù)的頻率合成方法 [2]。第 1 章 緒 論 課題背景 頻率檢測(cè)是電子測(cè)量領(lǐng)域的最基本也是最重要的測(cè)量之一，頻率信號(hào)抗干擾強(qiáng)，易于傳輸，可以獲得較高的測(cè)量精度，所以頻率方法的研究越來(lái)越受到重視[1]。在頻率合成領(lǐng)域中 ,直接數(shù)字合成 (Direct Digital Synthesizer，簡(jiǎn)稱： DDS)是近年來(lái)新的技術(shù) , 它從相位的角度出發(fā)直接合成所需波形。 其主要優(yōu)點(diǎn)有：頻率改變速 度快、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化便于集成等，目前使用最廣泛的一種 DDS 頻率合成方式是利用高速存儲(chǔ)器將正弦波的 M個(gè)樣品存在其中，然后以查找的方式按均勻的速率把這些樣品輸入到高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，變成所設(shè)定頻率的正弦波信號(hào) [3]。它已廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、遙控測(cè)試、電子對(duì)抗、以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等許多領(lǐng)域。 波形發(fā)生器即通常所說(shuō)的信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣是最普遍、最基本也是應(yīng)用最廣泛的的電子儀器之一， 幾乎所有電參量的測(cè)量都要用到波形發(fā)生器。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)量工作對(duì)波形發(fā)生器的性能提出了更高的 要求，不僅要求能產(chǎn)生正弦波、方波等標(biāo)準(zhǔn)波形，還能根據(jù)需要產(chǎn)生任意波形，且操作方便，輸出波形質(zhì)量好，輸出頻率范圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度及分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快且頻率轉(zhuǎn)換時(shí)輸出波形相位連續(xù)等?？梢?，為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)要求，研究制作高性能的任意波形發(fā)生器十分有必要，而且意義重大。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì) DAC 的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。 HP8770A 實(shí)際上也只能產(chǎn)生 8 種波形，而且價(jià)格昂貴。 最近幾年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)和器件水平的提高，國(guó)外一些公司先后推出各種各樣的 DDS 專用芯片，如 Qualm 公司的 Q22 Q2334， AD 公司的 AD995 AD9850、 AD985AD9852 等 [5]。 信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、測(cè)控、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，是一種為電子測(cè)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備，和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣是最普通、最基本也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測(cè)量都要用到波形發(fā)生器 [6]。變得操作越來(lái)越簡(jiǎn)單而輸出波形的能力越來(lái)越強(qiáng)。目前我國(guó)已經(jīng)開始研制信號(hào)發(fā)生器，并獲得了可喜的成果，但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)波形發(fā)生器還沒 有形成真正的產(chǎn)業(yè)，并且我國(guó)目前在波形發(fā)生器的的種類和性能都與國(guó)外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫 [7]。多功能波形發(fā)生器采用 FPGA 器件作為核心控制部件，精度高穩(wěn)定性好，得到波形平滑，特別是由于 FPGA 的高速度，能實(shí)現(xiàn)較高頻率的波形 [9]。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)波形發(fā)生器還沒有形成 真正的產(chǎn)業(yè)。 論文的主要工作與章節(jié)安排 本文主要通過分析 DDS 的原理，進(jìn)而得到 DDS 信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，然后通過選材等一系列設(shè)計(jì)來(lái)完成 DDS 信號(hào)發(fā)生器的研究。第三章則重點(diǎn)介紹了本次設(shè)計(jì)所采用的開發(fā)平臺(tái)。第五章是要是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。從 1971 年至今， DDS 已從一個(gè)工程新事物逐漸發(fā)展成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)工具。 DDS 的主要優(yōu)點(diǎn)是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在微控制器的控制下精確而快速的變換。 本節(jié)以正弦信號(hào)的產(chǎn)生為例，闡述 DDS 技術(shù)的基本原理。為了便于采用數(shù)字技術(shù)，應(yīng)對(duì)連續(xù)的正弦信號(hào)進(jìn)行離散化處理，即把相位和幅值均轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。通過改變 M 的大小，就可以改變輸出正弦信號(hào)的頻率，因此， M 也稱頻率控制字。當(dāng) M 取 1 時(shí)，可以得到輸出信號(hào)的最小頻率步進(jìn)為 （ 26） 由此可知，只要 N 取值足夠大，就可以得到非常小的頻率步進(jìn)值。 從式（ 27）可以看出，只要用頻率控制字 M 進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加運(yùn)算，就可以得到正弦函數(shù)的當(dāng)前相位值。由于正弦函數(shù)為非線性函數(shù)，很難實(shí)時(shí)計(jì)算，一般通過查表的方法來(lái)快速獲得函數(shù)值。將當(dāng)前的相位值作為 ROM 的地址，讀出 ROM 中的正弦波數(shù)據(jù)，再通過 D/A 轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。需要注意的是，受 ROM 容量的限制， ROM 地址位數(shù)一般小于相位累加器的位數(shù)，因此，把相位累加器輸出的高位作為 ROM 的地址。 DDS 正弦信號(hào)發(fā)生器的基本原理框圖如圖 211 所示。 (2)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短 頻率時(shí)間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。 DDS 的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納微秒級(jí)數(shù)量級(jí)，比使用其他的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。只要增加相位累加器的位數(shù) N 即可獲得任意小的頻率分辨率。 (4)相位變化連續(xù) 改變 DDS 輸出頻率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)。另外，只要在 DDS 的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形的輸出，如三角波，鋸齒波和矩形波甚至是任意波形。 DDS 的缺點(diǎn) (1)輸出帶寬范圍有限 由于 DDS 內(nèi)部 DAC 和波形存儲(chǔ)器 (ROM)的工作速度有限，使得 DDS 輸出的最高頻率有限。采用 GaAS 工藝的 DDS 芯片工作