直接数字式频率合成器
直接数字频率合成器(DDS)原理分析
直接数字频率合成器（DDS）原理分析直接数字频率合成器DDS（Direct Digital Frequncy Synthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。
其组成包括相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF），原理框图如图1所示。
以正弦波形合成为例，DDS合成频率的具体流程描述如下。
相位累加器由N位加法器与N位寄存器级联组成。
在时钟脉冲fc控制下，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。
寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端；使加法器在下一时钟作用下继续与频率控制字进行相加。
这样相位累加器在时钟的作用下，进行相位的累加。
当相位累加器累加满时就会产生溢出，完成一个周期的动作。
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N，当相位控制字由0跃变到不为零的P时，波形存储器（ROM）的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，所以输出的幅度编码相位增加。
波形的改变是通过改变W波形控制字实现的。
由于ROM中不同波形分块存储，所以当W改变时，ROM输入端为相移后的地址与W之和。
经过K、P、W设置后的相位累加器输出的数据作为ROM的取样地址，进行波形的相位—幅值转换，即可在给定时间上确定输出波形的抽样幅值。
N位的寻址ROM相当于把0o～360o的正弦波信号离散成具有2N个样值的序列，若波形ROM有D位数据位，则2N个取样点的幅值以D位二进制数值固化于ROM 中，按照地址的不同可以输出相应相位的正弦信号幅值。
幅度控制字能够控制ROM输出的正弦信号幅值的变化，乘法器（除法器）在DDS电路中相单于将每一个幅值量化值增大（缩小）了A倍。
由上面分析可以看出，DDS输出方程可表示为，f0为输出频率，fc为时钟频率。
当K=1时，DDS输出最低频率（即频率分辨率）为，而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即fc/2，也就是说K的理论最大值为2N-1。
直接数字频率合成的优缺点
直接数字频率合成的优缺点直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS）是一种通过数字信号处理技术生成高频信号的方法。
DDFS 可以用于各种应用，包括实验室测试、通讯和雷达系统等。
本文将讨论 DDFS 的优缺点。
优点稳定性DDFS 系统中只能从数字源获得频率，所以频率精度非常高。
DDFS 的准确性可以通过采用高质量的晶体振荡器和时钟同步技术来进一步提高。
此外，由于数字元件的稳定性，DDFS 的频率是非常稳定的。
灵活性DDFS 提供了比传统频率合成器更高的灵活性。
传统频率合成器需要使用不同的电路元件来生成不同的频率。
而 DDFS 只需要更改一个寄存器的值就可以改变输出的频率。
这使得 DDFS 可以快速地切换到所需的频率。
精度DDFS 提供比传统频率合成器更高的频率精度。
通过使用高质量的时钟和数字信号处理技术，DDFS 可以实现更准确的频率合成。
这对于许多应用非常重要，特别是在需要极高精度的测量中。
缺点失真DDFS 的一个主要问题是可能造成频率和幅度失真。
失真主要由于 DDS 中非线性项的存在，所以如果 DDS 的输入信号过大或一些不必要的转换发生，则可能会引起失真。
算法复杂性DDFS 的另一个缺点是算法的复杂性。
DDS需要执行许多乘法，幅度控制和相位控制等方面的处理。
算法处理需要大量的计算资源和存储器，并且在高频率合成模式下需要很高的速度。
噪声DDFS 可能会产生高质量的频率，但其输出信号中可能会存在一些噪声。
这是因为数字钳位器是离散的，在连续函数之间插入折线。
这种折线可能会导致噪声。
结论总体而言，DDFS 是非常有用的高精度频率合成技术。
它提供比传统模拟技术更高的稳定性、精度和灵活性。
然而，如此高度的精细度和稳定性需要更多的计算资源和存储器，并且需要处理单元更加复杂。
此外，当噪声存在时，可能需要额外的滤波和缓冲来获得可接受的输出信号质量。
传统的频率合成器与 DDFS 之间相互竞争，这取决于应用程序和准确度要求。
直接数字频率合成器原理
直接数字频率合成器原理直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer，简称DDFS）是一种用于产生高精度、稳定的频率信号的电子设备。
它通过数字电路实现频率的直接合成，可以产生任意频率的信号，并且具有快速调谐、高精度以及低相位噪声等优点。
本文将介绍DDFS的工作原理及其在实际应用中的重要性。
一、工作原理DDFS的核心组成部分是相位累加器（Phase Accumulator）、频率控制字（Frequency Control Word）和查表器（Look-up Table）。
相位累加器通过不断累加频率控制字的值，从而产生一个随时间线性增加的相位值。
查表器中存储了正弦波的采样值，通过查表器可以根据相位值得到对应的正弦波样本。
最后，通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号输出。
具体来说，DDFS的工作原理如下：1. 频率控制字：频率控制字是一个二进制数，用于控制相位累加器的累加速度。
频率控制字的大小决定了相位累加器每个时钟周期累加的值，从而决定了输出信号的频率。
2. 相位累加器：相位累加器是一个寄存器，用于存储当前的相位值。
相位累加器的值会在每个时钟周期根据频率控制字的大小进行累加。
相位累加器的位数决定了相位的分辨率，位数越多，相位分辨率越高，输出信号的频率分辨率也越高。
3. 查表器：查表器中存储了一个周期内的正弦波样本值（或余弦波样本值），通过查表器可以根据相位累加器的值得到对应的正弦波样本值。
4. 数模转换器：数模转换器将数字信号转换为模拟信号输出。
通常使用的是高速数模转换器，能够将数字信号以高速率转换为模拟信号输出。
二、应用领域DDFS在许多领域中都有广泛的应用，其中包括通信、雷达、测量、音频处理等。
1. 通信领域：在通信系统中，DDFS被广泛应用于频率合成器、频率调制器和频率解调器等模块中。
通过DDFS可以快速、精确地合成所需的信号频率，实现高速数据传输和频谱分析等功能。
直接数字频率合成器(DDS)总结
直接数字频率合成器（直接数字频率合成器（DDS DDS DDS）总结）总结知识收集2008-07-2113:45:46阅读128评论0字号：大中小订阅直接合成法是用一个或多个石英晶体振荡器的振荡频率作为基准频率，由这些基准频率产生一系列的谐波，这些谐波具有与石英晶体振荡器同样的频率稳定度和准确度；然后，从这一系列的谐波中取出两个或两个以上的频率进行组合，得出这些频率的和或差，经过适当方式处理（如经过滤波）后，获得所需要的频率。
DDS 是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer ）的英文缩写。
直接数字式频率合成器（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，由相位累加器、波形ROM 、D/A 转换器和低通滤波器构成。
时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM 的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM 的数据位字长和D/A 转换器位数。
结构框图如图2-1所示。
先分部分介绍其结构，后面会讲到总体原理。
相位增量（Phase Increment ）M ，也称为频率控制字，单纯的无单位（不代表弧度或者角度）无符号数。
相位累加器（Phase Accumulator ）由一个无符号数的加法器和一个寄存器构成，一个时钟周期完成一次加法运算。
量化器（Quantizer ）完成很简单的功能。
将较高精度，较大位宽的输入，丢弃低比特位，得到较低精度，较小位宽的输出，直接用作后面查找表的地址。
正余弦查找表（Sine/Cosine Lookup Table）存放正余弦数值。
DDS的工作原理：DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形[2]。
由于，（2-1）其中Δθ为一个采样间隔ΔT之间的相位增量，采样周期，即：（2-2）控制Δθ就可以控制不同的频率输出。
Δθ是由频率控制字M控制的，即：（2-3）所以改变M就可以得到不同的输出频率。
DDS（DirectDigitalSynthesizer）直接数字式频率合成器
DDS（DirectDigitalSynthesizer）直接数字式频率合成器1. 什么叫DDS直接数字式频率器DDS（Direct Digital Synthesizer），实际上是⼀种分频器：通过编程频率控制字来分频系统（SYSM CLOCK）以产⽣所需要的频率。
DDS 有两个突出的特点，⼀⽅⾯，DDS⼯作在数字域，⼀旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率⾼；另⼀⽅⾯，由于频率控制字的宽度宽（48bit 或者更⾼），频率分辨率⾼。
2. DDS⼯作原理图1 是DDS 的内部结构图，它主要分成3 部分：相位累加器，相位幅度转换，（）。
图 1，DDS的结构（1）相位累加器⼀个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。
DDS 正是利⽤了这⼀特点来产⽣正弦信号。
如图 2，根据DDS 的频率控制字的位数N，把360° 平均分成了2的N次等份。
图2，相位累加器原理假设系统时钟为Fc，输出频率为Fout。
每次转动⼀个⾓度360°/2N，则可以产⽣⼀个频率为Fc/2N的正弦波的相位递增量。
那么只要选择恰当的频率控制字M，使得 Fout / Fc= M / 2N,就可以得到所需要的输出频率Fout，Fout = Fc*M / 2N。
（2）相位幅度转换通过相位累加器，我们已经得到了合成Fout 频率所对应的相位信息，然后相位幅度转换器把0°~360°的相位转换成相应相位的幅度值。
⽐如当DDS 选择为2V p-p 的输出时，45°对应的幅度值为0.707V，这个数值以⼆进制的形式被送⼊DAC。
这个相位到幅度的转换是通过查表完成的。
（3）DAC输出代表幅度的⼆进制数字信号被送⼊DAC 中，并转换成为模拟信号输出。
注意DAC 的位数并不影响输出频率的分辨率。
输出频率的分辨率是由频率控制字的位数决定的。
直接数字式频率合成技术（DDS）是⼀种先进的全数字频率合成技术，它具有多种数字式调制能⼒（如相位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等），在通信、导航、雷达、电⼦战等领域获得了⼴泛的应⽤。
直接数字频率合成器(DDS PLL).
频率为
f out
fc M N 2
0 M 2N 1
频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：
M ( f out 2 N ) f c
其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。由取样定理，所产生 的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出 频率不要高于时钟频率的33%,以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。 在图中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长 度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。DAC分辨率一器的分辨率，DDS的最小分辨率为
f min
fc 2N
这个增量也就是最低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所 以有
f 0 max
fc 2
与PLL不同,DDS的输出频率可以瞬时地改变,即可以实现跳频，这是DDS的一个突 出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。
续混频 分频,获得很小的频率步进,电路复杂,不易集成
– 直接数字合成法------DDS
VCO--用电压(流)控制振荡频率
改变C
改变R
改变L
改变电流
频率综合技术概述
• 开环VCO的频率稳定度和频率精度较低 • PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考 振荡源(通常用晶振)
PLL框图如下:
PLL的构成
DDS
这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前， 其工作速度主要受D/A变换器的限制。利用正弦信号的 相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信 号的瞬时幅值，从而实现频率合成。 DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细 的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可 方便实现各种调制等优越性能。 但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度, DDS的频率上限目前还只能达到数百兆,限制了在某些 领域的应用。
直接数字频率合成技术DDS
幅
位
度
码
码
数模变换器 DAC
时 钟
低通滤波器 LPF 输出
图3-11 相位/幅度变换装置
假设DAC的输入幅度码是四位，则它的输出幅度与输 入幅度码之间的关系是按线性变化的，如表3-1所示。
二进制幅度码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
表 3-1
十进制幅度 二进制幅度码
0.1875
0 +1.1875
续表 3 - 4
8 1000 17π/16 -0.1951 0011 0.1875 1 9 1001 19π/16 - 0.5556 1001 0.5625 1 10 1010 21π/16 - 0.8316 1101 0.8125 1 11 1011 23π/16 -0.9808 1111 0.9375 1 12 1100 25π/16 -0.9808 1111 0.9375 1 13 1101 27π/16 -0.8316 1101 0.8125 1 14 1110 29π/16 -0.5556 1001 0.5625 1 15 1111 31π/16 -0.1951 0011 0.8175 1
② 将模2π的累加相位变换成相应的正弦函数值的幅度， 这里幅度可先用代码表示，这可以用一只读存储器ROM来 存储一个正弦函数表的幅值代码；
③ 用幅度代码变换成模拟电压，这可由数模变换器 DAC来完成；
④ 相位累加器输出的累加相位在两次采样的间隔时间 内是保持的，最终从DAC输出的电压是经保持的阶梯波。
2. 相位与幅度的变换
累加器输出的相位码，需先经过一个相位码/幅度码变换 装置之后，再经数/模变换生成阶梯波，最后通过低通滤波 器才能得到所需的模拟电压。
直接数字频率合成的优缺点
直接数字频率合成的优缺点什么是直接数字频率合成？直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS）是一种基于数字信号处理技术的频率合成方法。
它通过数字信号产生器（Digital Signal Generator，DSG）的输出，实现对任何频率和任何波形的生成。
DDFS的原理是将相位累计器作为计数器，将其输出作为一个带宽窄的方波信号，再通过低通滤波器将其转换为连续的正弦波信号，以实现目标波形的合成。
直接数字频率合成的优点精度高DDFS是一种准确的频率合成方法。
因为它是以数字信号的方式输出波形，消除了模拟电路中产生的误差和漂移。
另外，DDFS在频率和相位的控制上，具有高精度的输出能力，提高了合成波形的质量和准确性。
范围广DDFS的输出范围非常广，它可以产生任何频率的波形信号。
而且不同于模拟频率合成器，DDFS的频率可由外部控制，输出频率可以实现广范围内的变化调节。
这种灵活性帮助工程师在频率范围需要变化的应用中，更轻松地调节输出信号。
稳定性好DDFS是一种基于数字信号的频率合成方法，它的信号源压缩了使用模拟电路时容易出现的波动、漂移等不稳定性，所以它具有较高的稳定性。
在多种温度和电压变化的应用中，DDFS可以提供相同的性能，这意味着在设计过程中不需要太多的环境测试与调试。
直接数字频率合成的缺点抗干扰能力差DDFS在抗干扰方面相对较差。
接收到使相位累计器发生错误计数的干扰信号，会导致输出波形的失真或异常。
这可能限制DDS的应用范围，特别是在高强度干扰环境下的应用中，DDFS可能会出现输出失真现象。
噪声高DDFS在合成信号时，会引入噪声，特别是在比较低的频率下噪声会非常明显。
噪声来自于相位计数器的数字量化以及DDS输出的工作频率和时钟相互种衍生的问题，对某些高精度应用造成质量上的影响。
售价较高相比于模拟信号发生器和频率合成器而言，DDFS的售价更高。
其内含的高精度时钟与数字量化模块、COSS/FOSS转换器以及快速控制电路等，使其在调制精度、计算速度、同时售价等方面相对更高。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验八 直接数字式频率合成器（DDS ）程序设计与仿真实验
1 实验目的
(1) 学习利用EDA 技术和FPGA 实现直接数字频率合成器的设计。
(2) 掌握使用Quartus Ⅱ原理图输入设计程序。
2 实验仪器
（1）GW48系列SOPC/EDA 实验开发系统
（2）配套计算机及Quartus II 软件
3 实验原理
直接数字频率合成技术，即DDS 技术，是一种新型的频率合成技术和信号产生方法。
其电路系统具有较高的频率分辨率，可以实现快速的频率切换，并且在改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。
传统的生成正弦波的数字是利用—片ROM 和一片DAC ，再加上地址发生计数器和寄存器即可。
在ROM 中，每个地址对应的单元中的内容(数据)都相应于正弦波的离散采样值，ROM 中必须包含完整的正弦波采样值，而且还要注意避免在按地址读取ROM 内容时可能引起的不连续点，避免量化噪音集中于基频的谐波上。
时钟频率f clk 输入地址发生计数器和寄存器，地址计数器所选中的ROM 地址的内容被锁入寄存器，寄存器的输出经DAC 恢复成连续信号，即由各个台阶重构的正弦波，若相位精度n 比较大，则重构的正弦波经适当平滑后失真很小。
当f clk 发生改变，则DAC 输出的正弦波频率就随之改变，但输出频率的改变仅决定于f clk 的改变。
为了控制输出频率更加方便，可以采用相位累加器，使输出频率正比于时钟频率和相位增量之积。
图1所示为采用了相位累加方法的直接数字合成系统，把正弦波在相位上的精度定为n 位，于是分辨率相当于1／2n 。
用时钟频率f P 依次读取数字相位圆周上各点，这里数字值作为地址，读出相应的ROM 中的值(正弦波的幅度)，然后经DAC 重构正弦波。
这里多了一个相位累加器，它的作用是在读取数字相位圆周上各点时可以每隔M 个点读一个数值，M 即力图1中的频率字。
这样，DAC 输出的正弦波频率f sin 就等于“基频” f clk 1／2n 的M 倍，即DAC 输出的正弦波的频率满足下式：
)2(sin n clk f M f (1)
这里，f clk 是DDS 系统的工作时钟，式(6-1-1)中的n 通常取值在24~32之间，由图1可知，
相位分辨率至少是1/16777216，相当于2.146x10-5度。
相位增量值可预置，通过相位累加器，选取ROM的地址时，可以间隔选通。
相位寄存器输出的位数一般取10—16位，这是截断式用法，以减少ROM的容量。
假定用16位，最大相位不连续相当于96dB。
若DAC的位数为N位，则所用ROM的字长也为N。
图1 DDS基本结构
如图1所示的DDS基本原理组成框图结构特点如下：其中clk来自为高稳性晶振或由PLL提供，用于提供DDS各种部件的同步工作。
DDS核心的相位累加器由—个N位字长的二进制加法器和一个有时钟f clk取样的N位寄存器组成，作用是对频率控制字进行线性累加：波形存储器中所对应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，相位累加输出的序列对波形存储器寻址，得到一系列离散的幅度编码，相位累加器位宽和采样点关系如图2所示。
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。
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信号的一个频率周期。
图2 相位累加器位宽和采样点关系
4 实验内容
图3是根据图1的基本DDS原理框图做出的电路原理图的顶层设计，其中相位累加器的位宽是32。
图中共有三个元件和一些接口，说明如下：
（1）32位加法器ADDER32.由LPM_ADD_SUB宏模块构成。
设置了2级流水线结构，使其在时钟控制下有更高的运算速度和输入数据稳定性。
（2）32位寄存器DFF32.由LPM_DFF宏模块担任。
ADDER32和DFF32构成一个32位相位累加器，其高10位A[31..25]作为波形数据的ROM的地址。
（3）正弦波形数据ROM。
正弦波形数据ROM模块sim_rom的地址线和数据线位宽都是10位。
这就是说，其中一个周期的正弦波数据有1024个，每个数据有10位。
其输出可以接一个10位的高速DAC；如果只有8位，可以截去低2位输出。
ROM中的MIF数据文件由mif_maker2010生成，使用方法见教材附录P413-414.
（4）频率控制字输入B[24..17].本来的频率控制字是32位，但为了方便实验验证，把高于24位和低于17位的输入预先设置成0或1.对于+5E系统，此8位数据可以由两个拔码开关控制输入。
（5）编译和下载。
选择模式5。
时钟频率CLK直接接入20MHZ。
输出DAC-CLK用于作为外部DAC工作时钟。
Clk接PIN_28，B[24..17]接PIN_240,239,238,237,236,235,234,233; ADC[9..2]接PIN_168,167,166,165,164,163,162,161。
图3 原理图
5．仿真波形
程序中部分模块仿真结果如下图所示。
①32位寄存器模块reg32仿真结果入图4所示，图中Load为数据装载信号。
图4 32位寄存器模块reg32仿真波形
图6 DDS仿真波形图
6 配置下载
启动Assignment Editor编辑器，并将配置文件下载。
7 Signal TapⅡ实时测试
操作步骤见教材第4章4.3节。
图6为嵌入式逻辑分析仪测试波形的结果。
注：PH为输出的正弦波，AA[24..31]为地址。
8.实验报告要求
（1）将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试实验结果写进实验报告。
（2）本次实验体会。