直接数字式频率合成器DDS

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直接数字式频率合成器DDS

2010-04-25 18:06

直接数字频率合成技术（Direct DigitalFrequencySynthesis，即DDFS，一般简称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。DDS的工作原理是以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦波（SineWave）。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度／相位转换电路、D／A转换器和低通滤波器（LPF）。其中，频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据（Frequency Data或相位步进量Phase Increment）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的二进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度／相位转换电路实质是一个波形存储器（WaveformMemory），以供查表使用。读出的数据送入D／A转换器和低通滤波器。

具体工作过程如下：

每来一个时钟脉冲Fclk，N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加；另一方面，将这个值作为取样地址值送入幅度／相位转换电路（即波形存储器），幅度／相位转换电路根据这个地址值输出相应的波形数据。最后，经数／模转换（D／AConverter）和低通滤波器（LowPass Filter）将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累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合成信号的一个频率周期。

DDS输出信号的频率由式（1）给定：

Fout＝（X／Y）×Fclk（1）

例如，我们假定基准时钟为70 MHz，累加器为16位，则：

Y＝216＝65，536

Fclk＝70MHz

再假定X＝4096，则：

Fout＝4096／65536×70＝4．375MHz

可见，理论上通过设定DDS相位累加器位数频率控制字X和基准时钟Fclk 的值，就可以产生任一频率的输出。而DDS的频率分辨率定义为：Fres＝Fclk／Y（2）

由于基准时钟一般固定，因此相位累加器的位数就决定了频率分辨率。比如上面的例子中，相位累加器为16位，那么频率分辨率就可以认为是16位。位数越多，分辨率越高。

DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率

（频率的可控范围达μHz级，相位控制小于0.09°）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。

直接数字频率合成（DDS）是近年来发展非常迅速的一种新型频率合成技术，它具有频率分辨率高、相位噪声低、频率转换时间短等特点。首先简要介绍DDS的工作原理及其性能，然后主要阐述如何利用AD9851芯片设计一个高精度直接数字式合成频率源。

关键词：直接数字式频率合成；AD9851；频率分辨率；相位噪声

随着现代电子技术的发展，在通信、雷达、宇航、仪表、电视广播、遥控遥测和电子测量仪器等应用领域，稳定度的晶体振荡器，其输出信号作为DDS合成频率的基准频率，同时保证DDS中各部件同步工作，频率控制字F

CW

来自计算机

系统，它用来控制相位累加器的累加次数，从而改变输出频率f

o

的高低。DDS的工作实质是以参考频率源对相位进行等可控间隔的采样。

由于：f＝ω／2π＝Δθ／2π×Δt，其中Δθ为一个采样间隔Δt之间

的相位增量，采样周期Δt＝1／f

r ，即：f＝Δθ×f

r

／（2×π），控制Δθ，

就可以控制不同的频率输出。Δθ由频率控制字F

CW 控制：Δθ＝F

CW

×2π／2N

（N为相位累加器的字长），改变F

CW 可得到不同的频率输出f

o

：

DDS中输出滤波器采用LPF。由于DDS合成信号是正弦波时，D／A输出的信号中有许多不需要的寄生谱分量，只有基波分量才是所需要的，因此在D／A之

后需跟一个低通滤波器。Nyquist准则允许输出频率最高为f

r ／2，即F

CW

≤2N－1，

但实际中受LPF的限制，一般：

DDS的主要优点是频率分辨率高，由式（2）可知，它的频率分辨率（即精

度）由相位累加器的位数N决定；由式（3）可以看出，DDS的工作频带较宽，

的频率信号；同时它的输出相位连续，频率稳定度高。可合成从直流到0．4f

r

2 一种高精度直接数字式频率合成器的设计

AD9851芯片是AD公司采用先进C MOS技术生产的最高时钟为180MHz、高集成度直接数字式频率合成器件。它由一个高速DDS，一个高速、高性能DAC以及比较器等构成一个完全数字控制可编程频率合成器，其时钟输入端内置一个6

倍频乘法器，并且具有时钟产生功能。AD9851的原理框图如图2所示，可将其用作一个高精度可编程的数字频率合成器和时钟生成器。当参考时钟源的频率精度很高时，其输出数字化的模拟正弦波的频率和相位都很稳定，生成的正弦波经滤波后可直接用作频率源，也可通过内部的比较器转换成方波作时钟源。

AD9851的参考时钟输入可采用温补石英晶体振荡器提供，编程启用AD9851

以及相位控制字等数据内含的6倍频率乘法器。其所需控制字、频率控制字F

CW

由PC机通过PCI（PeripheralComponentIntercon－nect，即外围部件互连）总线以并行或串行异步方式提供，在PCI总线与AD9851之间利用PCI专用芯片组或PLD进行输入数据缓冲，AD9851的输出需经LPF滤波器滤波。系统总体原理框图如图3所示。

AD9851共包含40位控制码（D39～D0），其作用是：（1）D39、D38用来控制AD9851数据输入的模式。AD9851的数据输入模式分为两种：并行输入模式和串行输入模式。在并行输入模式下，模式控制码为“00”，由数据输入端D0～D7每次8bits分数次输入频率控制字。在串行输入模式下，模式控制码为“11”。由数据输入端D7每次1bit依次输入频率控制字。（2）D37用来调节AD9851输出的功率。（3）D36～D32相位调制码，用来控制AD9851的相位调制量。（4）D31～D0，用来控制AD9851输出的频率。这32位频率控制码是由输入的频率值转换过来的。具体转换关系为ΔPHASE＝f

／（REFCLK／232）。

o