直接數(shù)字頻率合成技術(shù)在信號發(fā)生器中的應(yīng)用研究

陶娟娟 龔澍

摘 要：利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計信號發(fā)生器，輸出的信號頻率分辨率高、相位信息連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換的時間短、可靠性高等優(yōu)點。系統(tǒng)以單片機(jī)和DDS芯片為核心，采用高性能的單片機(jī)實現(xiàn)整個電路的控制。本文介紹了DDS的典型結(jié)構(gòu)，根據(jù)需求選擇性價比較高的DDS芯片AD9852。最后給出DDS信號源設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)通過軟件編程和較少的輔助電路實現(xiàn)信號發(fā)生器的功能。

關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成技術(shù) 單片機(jī) DDS芯片

中圖分類號：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-00-02

信號發(fā)生器又稱信號源，是一種能提供各種頻率和幅度波形電信號的設(shè)備。在現(xiàn)代生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，在電子測量和通信儀表等領(lǐng)域往往需要高精度高穩(wěn)定性的信號源。目前，頻率合成器已經(jīng)走向數(shù)字化和智能化，技術(shù)指標(biāo)越來越高，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)中。早期發(fā)展的直接頻率合成技術(shù)是通過對高穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻、混頻、倍頻等最終產(chǎn)生所需要的頻率，但是該方法缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不容易大規(guī)模集成[1]。到了20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了鎖相式頻率合成技術(shù)，并很快得到廣泛的應(yīng)用[2]，但輸出頻率受VCO可變頻率范圍的影響，而且鎖相環(huán)具有鎖定時間，所以頻率轉(zhuǎn)換速度相對比較慢。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），應(yīng)用比較廣泛，它是一種全數(shù)字頻率合成技術(shù)，直接從數(shù)字域出發(fā)基于查找表最終合成所需的頻率[3]。DDS輸出信號的頻率分辨率高、相對帶寬較寬、相位信息連續(xù)、轉(zhuǎn)換的時間短、便于集成且可靠性高[4，5]。

1 典型DDS結(jié)構(gòu)

DDS作為一種新的頻率合成技術(shù)，它直接利用信號的相位信息來合成所需的波形。圖1是DDS典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，整個系統(tǒng)包含相位累加器（Phase Accumulator）、D/A轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter）、波形存儲器（Waveform Memory）、低通濾波器（Low-Pass Filter）以及參考時鐘（Reference Clock）這幾部分[6]。

在統(tǒng)一的參考時鐘控制下，在相位累加器中利用數(shù)字方式對相位信息進(jìn)行累加，從相位累加器輸出信號信息的相位序列，同時輸入波形存儲器作為其查詢地址，通過內(nèi)部的查找表查詢出二進(jìn)制編碼，于是得到信號相應(yīng)的波形幅度值。由波形存儲器輸出的波形幅度值經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，就將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，即信號所對應(yīng)的正弦數(shù)字量信息就轉(zhuǎn)換成了所需頻率的模擬信號。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出的包絡(luò)為階梯狀的正弦波信號經(jīng)過低通濾波器濾波后，輸出所需頻率的波形信號。

2 DDS芯片

由于基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的信號源具有頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高并且速度快的特點，我們考慮基于DDS技術(shù)的信號源設(shè)計。目前DDS芯片性能優(yōu)越，款式多，功能強(qiáng)大，被廣泛應(yīng)用于通信、儀表儀器等很多領(lǐng)域中。在選擇DDS芯片型號上需結(jié)合系統(tǒng)需求綜合考慮各芯片的性能指標(biāo)。經(jīng)調(diào)研，ADI公司推出的DDS系列產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，且性價比較高。ADI的DDS系列芯片內(nèi)部都集成了DDS核心結(jié)構(gòu)：相位累加器、波形存儲器和D/A轉(zhuǎn)換器等，作為完整的DDS可獨立完成DDS的基本功能。

以ADI公司生產(chǎn)的認(rèn)知度較高的一款DDS芯片AD9852（ASVZ）為例介紹[7]，在單片機(jī)的控制下，AD9852利用內(nèi)部集成的DDS技術(shù)可以產(chǎn)生頻率、幅度以及相位可編程的正弦波信號，AD9852有5種工作模式，可以實現(xiàn)單頻、線性掃頻以及跳頻等功能。AD9852的輸出頻率f0、頻率控制字FTW以及參考時鐘頻率fc的存在關(guān)系：FTW= （f0×248）/fc。AD9852最高系統(tǒng)時鐘為300MHz，輸出頻率可達(dá)DC-120MHz，頻率分辨率量級可達(dá)1?Hz。

3 DDS信號源總體結(jié)構(gòu)圖

圖2是DDS信號源總體結(jié)構(gòu)圖，主要包含電源、單片機(jī)、參考時鐘、DDS芯片等這幾個部分。

系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)對高性能的、可編程的DDS芯片等整個電路的控制。DDS信號源可以采用外部接入高穩(wěn)定性的參考時鐘作為參考源，最后DDS芯片輸出端經(jīng)過低通濾波器直接得到所需的波形。

參考文獻(xiàn)

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[6] Peng C Y ， Ma X C ， Yan S F ， et al. Generation of linear frequency modulation signal with reduced round-off error using pulse-output direct digital synthesis technique[J].Review of Scientific Instruments， 2014， 85（2）：025106.

[7] AD9852 Datashee[Z].Analog Devices Inc.， 2004.