实现直接数字频率合成器的三种技术方案

相位累加器由 A 位加法器与 A 位累加寄存器级联 构 成 % 每 来 一 个 时 钟 脉 冲 !"! 加 法 器 将 频 率 控 制 字 # 与 累加寄存器输出的累加相位数据相加!把相加后的结果 送至累加寄存器的数据输入端% 累加寄存器将加法器在 上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加 法器的输入端! 以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下 继续与频率控制字相加% 这样! 相位累加器在时钟作用 下! 不断对频率控制字进行线性相位累加% 由此可以看 出 !相 位 累 加 器 在 每 一 个 时 钟 脉 冲 输 入 时 !把 频 率 控 制 字 累加一次!相位累加器输出的数据 就 是 合 成 信 号 的 相 位 ! 相 位 累 加 器 的 溢 出 频 率 就 是 44= 输 出 的 信 号 频 率 % 用 相 位 累 加 器 输 出 的 数 据 作 为 波 形 存 储 器 BCDE F 的 相位取样地址!这样就可把存储在波形存储器内的波形 抽样值B二进制编码G经查找表查出!完 成 相 位 到 幅 值 转 换 % 波 形 存 储 器 的 输 出 送 到 4 H 3 转 换 器 !4 H 3 转 换 器 将
’"+ 输 出 杂 散 大 由 于 00; 采 用 全 数 字 结 构 # 不 可 避 免 地 引 入 了 杂
散! 其来源主要有三个$相位累加器相位舍位误差造成 的杂散%幅度量化误差’由存储器有限 字 长 引 起+造 成 的 杂 散 和 0/> 非 理 想 特 性 造 成 的 杂 散 !
/0123$ 采 用 &" 位 相 位 累 加 器 # 截 断 成 6% 位 # 输 入
正 弦 查 询 表 # 查 询 表 输 出 截 断 成 6$ 位 # 输 入 到 0/> !
0/> 输 出 两 个 互 补 的 模 拟 电 流 # 接 到 滤 波 器 上 ! 调 节 0/> 满 量 程 输 出 电 流 # 需 外 接 一 个 电 阻 GKQP # 其 调 节 关
系 是 ! KQP \&"’64"%2, 5 GKQP+ # 满 量 程 电 流 为 6$?"$-/ !
使 得 44= 的 频 率 转 换 时 间 极 短 % 事 实 上 ! 在 44= 的 频 率 控制字改变之后!需经过一个时钟周期之后按照新的 相 位增量累加!才能实现频率的转换% 因此!频率转换的时 间等于频率控制字的传输时间!也就是一个时钟周期的 时 间 % 时 钟 频 率 越 高 ! 转 换 时 间 越 短 % 44= 的 频 率 转 换 时 间可达纳秒数量级!比使用其它的频率合成方法都要短 数个数量级%
/0123# 可 产 生 一 个 频 谱 纯 净 " 频 率 和 相 位 都 可 编 程 控
制的模拟正弦波输出! 此正弦波可直接用作频率信号源 或 转 换 成 方 波 用 作 时 钟 输 出 ! /0123# 接 口 控 制 简 单 # 可 以用 2 位并行口或串行口直接输入频率"相位等控制数 据 ! &" 位 频 率 控 制 字 # 在 6"3()* 时 钟 下 # 输 出 频 率 分 辨 率 达 #4#"1)* ! 先 进 的 >(<; 工 艺 使 /0123# 不 仅 性 能 指 标 一 流 # 而 且 功 耗 少 # 在 &4&, 供 电 时 # 功 耗 仅 为 633-Z ! 扩 展 工 业 级 温 度 范 围 为 E%# ?[23 摄 氏 度 # 其 封 装 是 "2 引 脚 的 ;;<A 表 面 封 装 !
)"*) 年 ! 美 国 学 者 +,-./01/2 等 人 撰 写 的 " 3 4.5.678 90/:;/1<2 =216>/?.@/0 # $ 文 首 次 提 出 了 以 全 数 字 技 术 ! 从
相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成 原理% 限于当时的技术和器件水平!它的性能指标尚不 能 与 已 有 的 技 术 相 比 ! 故 未 受 到 重 视 % 近 )% 年 间 ! 随 着 微 电 子 技 术 的 迅 速 发 展 ! 直 接 数 字 频 率 合 成 器 & 4.0/<6 4.5.678 90/:;/1<2 =216>/?.? 简 称 44= 或 449= ’ 得 到 了 飞 速的发展!它以有别于其它频率合成方法的优越性能和 特点成为现代频率合成技术中的姣姣者% 具体体现在相 对带宽宽(频率转换时间短(频率分辨率高(输出相位连 续 (可产生宽带正交信号及其 他 多 种 调 制 信 号 (可 编 程 和 全 数 字 化 (控 制 灵 活 方 便 等 方 面 !并 具 有 极 高 的 性 价 比 %
B)G 输 出 频 率 相 对 带 宽 较 宽
输 出 频 率 带 宽 为 #%I ! " B 理 论 值 G % 但 考 虑 到 低 通 滤 波 器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制!实 际 的 输 出 频 率 带 宽 仍 能 达 到 ’%I ! " %
! ""# 基 本 原 理 及 性 能 特 点
B(G 频 率 分 辨 率 极 高 若 时 钟 ! " 的 频 率 不 变 ! 44= 的 频 率 分 辨 率 就 由 相 位
累加器的位数 A 决定% 只要增加相位累加器的位数 A 即 可 获 得 任 意 小 的 频 率 分 辨 率 % 目 前 ! 大 多 数 44= 的 分 辨 率 在 )J@ 数 量 级 ! 许 多 小 于 )KJ@ 甚 至 更 小 %
00; 系 统 " 高 性 能 0/> 及 高 速 比 较 器 # 能 实 现 全 数 字 编
程控制的频率合成器和时钟发生器! 接上精密时钟源#
00; 也 有 局 限 性 # 主 要 表 现 在 $ ’6 + 输 出 频 带 范 围 有 限
由 于 00; 内 部 0/> 和 波 形 存 储 器 ’G<(+ 的 工 作 速 度 限 制 # 使 得 00; 输 出 的 最 高 频 率 有 限 ! 目 前 市 场 上 采 用 >(<; " @@H " I>H 工 艺 制 作 的 00; 芯 片 # 工 作 频 率 一 般 在 几 十 ()* 至 %$$()* 左 右 ! 采 用 FJ/K 工 艺 的 00; 芯 片 工 作 频 率 可 达 "F)* 左 右 !
弦 波 00; 单 片 电 路 (H"$&3 以 其 价 格 低 廉 " 使 用 简 单 得 到 广 泛 应 用 ! (H"$&3 特 性 $ ’6+ 输 出 频 率 为 直 流 到
;PJSTNUV 等 公 司 单 片 电 路 ’-NSNLOPWOM+ ! C:JLMN-- 公 司 推 出
了 00; 系 列 C """# " C""&# " C "&&% " C ""%# " C "&B2 # 其 中
B’G 相 位 变 化 连 续 改 变 44= 输 出 频 率 ! 实 际 上 改 变 的 每 一 个 时 钟 周 期
的相位增量!相位函数的曲线是连续的!只是在改变频 率的瞬间其频率发生了突变!因而保持了信号相位的 连 续性%
B#G 输 出 波 形 的 灵 活 性
只 要 在 44= 内 部 加 上 相 应 控 制 如 调 频 控 制 9E ( 调 相 控 制 LE 和 调 幅 控 制 3E ! 即 可 以 方 便 灵 活 地 实 现 调 频 ( 调 相 和 调 幅 功 能 ! 产 生 9=M ( L=M ( 3=M 和 E=M 等 信 号 % 另 外 ! 只 要 在 44= 的 波 形 存 储 器 存 放 不 同 波 形 数 据!就可以实现各种波 形 输 出 !如 三 角 波 (锯 齿 波 和 矩 形
谐波失真很低!
(H"$&3 为 0=AE2 封 装 # 各 引 脚 功 能 如 下 $
表 6 /0 公 司 的 常 用 00; 芯 片 选 用 列 表
型号 最 大 工 作 频 率 ’ ()* + 工 作 电 压 ’,+ 最 大 功 耗 ’ -. + 备 注 小型封装7串行输入7内置 0 5 / 转换器 ! 低电压7经济7内置 0 5 / 转换器!
数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟 量形式信号% 低通滤波器用于滤除不需要的取样分量! 以便输出频谱纯净的正弦波信号%
44= 在 相 对 带 宽 ( 频 率 转 换 时 间 ( 高 分 辨 力 ( 相 位 连
续性(正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远 远 超过了传统频率合成技术所能达到的水平!为系统提供 了优于模拟信号源的性能%
专家论谈
实现直接数字频率合成器的三种技术方案
杭 州 商 学 院 信 息 与 电 子 工 程 学 院 B()%%(NG
摘
姜田华
要 O 讨 论 了 44= 的 工 作 原 理 及 性 能 特 点 # 介 绍 了 目 前 实 现 44= 常 用 的 三 种 技 术 方 案 # 并 对 各 方案的特点作了简单的说明$ 关键词O 直接数字频率合成器 相位累加器 信号源 现场可编程门阵列
44= 的 基 本 原 理 是 利 用 采 样 定 理 ! 通 过 查 表 法 产 生 波 形 % 44= 的 结 构 有 很 多 种 ! 其 基 本 的 电 路 原 理 可 用 图 )
来表示%
B&G 频 率 转 换 时 间 短 44= 是 一 个 开 环 系 统 ! 无 任 何 反 馈 环 节 ! 这 种 结 构
+ 实 现 ,,- 的 三 种 技 术 方 案
+(. 采 用 高 性 能 ,,- 单 片 电 路 的 解 决 方 案
随着微电子技术的飞速ຫໍສະໝຸດ 展#目前市场上性能优良 的 00; 产 品 不 断 推 出 # 主 要 有 C:JLMN-- " /0 " ;MOPQR 和
+(+ 采 用 低 频 正 弦 波 ,,- 单 片 电 路 的 解 决 方 案 (OMUN HOSQ JU 公 司 的 电 源 管 理 事 业 部 推 出 低 频 正
C"&B2 的 时 钟 频 率 为 6&#()* # 分 辨 率 为 #4#&)* # 杂 散 控 制 为 EXBVYM # 变 频 时 间 为 #46 ! K % 美 国 /0 公 司 也 相 继 推
出 了 他 们 的 00; 系 列 $ /0 123# " /0 1236 " 可 以 实 现 线 性 调 频 的 /0123" " 两 路 正 交 输 出 的 /0 123% 以 及 以 00; 为 核 心 的 CA;D 调 制 器 /0123& " 数 字 上 变 频 器 /0123B 和 /0 123X ! /0 公 司 的 00; 系 列 产 品 以 其 较 高 的 性 能 价 格 比 # 目 前 取 得 了 极 为 广 泛 的 应 用 ! /0 公 司 的 常 用 00;
!电子技术应用 " &%%’ 年第 ( 期
欢迎邮购本刊 !""#$!""" 年光盘版 ! 每套 !%% 元
!
专家论谈
波 甚 至 是 任 意 的 波 形 ! 当 00; 的 波 形 存 储 器 分 别 存 放 正 弦 和 余 弦 函 数 表 时 #既 可 得 到 正 交 的 两 路 输 出 ! 芯 片 选 用 列 表 见 表 6 ! 下 面 仅 对 比 较 常 用 的 /0123# 芯 片作一简单介绍!
’B + 其 他 优 点 由 于 00; 中 几 乎 所 有 部 件 都 属 于 数 字 电 路 # 易 于 集
成#功耗低"体积小"重量轻"可靠性高#且易于程控 #使 用相当灵活#因此性价比极高!
/0123# 是 /0 公 司 采 用 先 进 的 00; 技 术 # 611B 年
推 出 的 高 集 成 度 00; 频 率 合 成 器 # 它 内 部 包 括 可 编 程
"3]) * # 在 时 钟 输 入 为 6"4&3"()* 时 频 率 分 辨 率 可 达 到 643)*’E$4X3?[$4X3)*+ # 输 出 正 弦 波 信 号 的 峰 E 峰 值 为 ,MM % ’"+ 高 度 集 成 化 # 无 需 或 仅 需 极 少 的 外 接 元 件 支 持 # 自 带 &?6"()* 晶 体 振 荡 电 路 % ’&+ 兼 容 的 & 线 ;A= 串 行 输 入 口 # 带 双 缓 冲 # 能 方 便 地 配 合 单 片 机 使 用 % ’%+ 增 益 误 差 和 总