新型數(shù)字化可編程頻率合成器DDS

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，使頻率合成技術(shù)也躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。傳統(tǒng)的頻率合成器，通常從一排晶體振蕩器產(chǎn)生的各種頻率通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行頻率混合，或者采用鎖相(PLL)技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成。如在20世紀(jì)80年代初研制使用的頻率合成器即是PLL技術(shù)，其原理如圖1所示。

該合成器是由程序分頻器、鑒相器及壓控振蕩器3大部分組成，從晶振束的100kHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)100分頻后得1 kHz的基準(zhǔn)頻率fR，壓控振蕩頻率f1通過(guò)程序分頻得到頻率fM，fM和fR同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行比較。只有當(dāng)fR和fM完全同頻同相時(shí)，環(huán)路平衡被鎖定，即fR＝fM。可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，壓控振蕩器的輸出頻率完全決定于程序分頻器的分頻比，即f1＝M·fR，只要改變分頻比M，便可使f1改變，從而得到所需的各個(gè)頻率點(diǎn)。在此合成器中，從2.5～4.2MHz頻段內(nèi)，產(chǎn)生43個(gè)頻率點(diǎn)。

使用PLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的頻率合成器在性能上較之RC，LC振蕩源有很大提高，但外圍電路復(fù)雜，且受外界干擾，分辨率難以提高，其他指標(biāo)也不理想。近年來(lái)，數(shù)字化可編程頻率合成器(簡(jiǎn)稱(chēng)DDS)的出現(xiàn)，使頻率合成技術(shù)大大地前進(jìn)了一步。1996年推出的DDS9850頻率分辨率為0.029 l Hz，頻率準(zhǔn)確度可控制到，噪音電平-70 dB以下，諧波失真衰減4 x 109≥55 dB，先進(jìn)的CMOS工藝不僅使AD9850性能一流，而且功耗小，在3.3V供電時(shí)，僅為155mW，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2中正弦查詢(xún)表是一個(gè)可編程存儲(chǔ)器(PROM)，存有一個(gè)或多個(gè)完整周期的正弦波數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘Fc的驅(qū)動(dòng)下，地址計(jì)數(shù)器逐步經(jīng)過(guò)PROM，地址中相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸入到N位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入端，DAC輸出模擬信號(hào)，經(jīng)低通濾波器(LPF)，可得到一個(gè)頻譜純凈的正弦波。

系統(tǒng)的核心是相位累加器，他由1個(gè)加法器和1個(gè)N位相位寄存器組成，一般為24～32位，每束一個(gè)時(shí)鐘Fc相位寄存器以步長(zhǎng)M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢(xún)表地址上，正弦查詢(xún)表包含一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢(xún)表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)DAC輸出模擬量。

相位寄存器，每經(jīng)過(guò)2N/M個(gè)fc時(shí)鐘后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)的正弦查詢(xún)表經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)回到初始位置，整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波，周期為了T。＝Tc·2N／M，頻率fout=M·fc／2N，相位累加器輸出N位并不全部加到查詢(xún)表，而要截?cái)鄡H留高端13～15位，減小了查詢(xún)表長(zhǎng)度，但并不影響頻率分辨率。DDS9850控制簡(jiǎn)單，可用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)，其工作原理如圖3所示。

他采用32位相位累加器，截?cái)喑?4位，輸入正弦查詢(xún)表，查詢(xún)表輸出截?cái)喑?0位輸入到DAC。DAC輸出2個(gè)互補(bǔ)的模擬電流接到濾波器上，外接1個(gè)電阻RSET調(diào)節(jié)DAC滿(mǎn)量程輸出電流，其調(diào)節(jié)關(guān)系是ISET＝32(1.248 V／RSET)，滿(mǎn)量程電流為10-20 mA。DDS9850內(nèi)部有高速比較器接到DAC濾波輸出端，就可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的脈沖序列，此脈沖輸出可用作ADC器件的采樣時(shí)鐘。DDS9850用5位斷據(jù)字節(jié)控制相位，允許相位按增量180°, 90°，45°，22.5°，11.25°移動(dòng)或進(jìn)行組合。

DDS9850有40位寄存器，32位用于頻率控制，5位相位控制，1位電源休眠功能，2位廠(chǎng)家保留測(cè)試控制，這40位控制字可通過(guò)并行方式或串行方式裝入到DDS9850。在并行裝入方式中，通過(guò)8位總線(xiàn)D7～D0重復(fù)5次裝入寄存器，在FQ-VD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率和相位及控制數(shù)據(jù)寄存器，從而更新DDS輸入頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。在串行裝入方式中，W-CLK上升沿把25腳(D7)的一位數(shù)據(jù)串行移入，移動(dòng)40位后，用一個(gè)FR-VD就可以更新輸出頻率和相位。

以上介紹了DDS9850的原理，從使用的角度來(lái)看，數(shù)字化可編程頻率合成器不僅從電路設(shè)計(jì)上較以前傳統(tǒng)的頻率合成器有了很大的改變，而且在現(xiàn)場(chǎng)使用中也可以根據(jù)送入的數(shù)字控制信號(hào)得到所需頻率的信號(hào)輸出，同時(shí)輸出信號(hào)的指標(biāo)也較傳統(tǒng)的頻率合成器有了很大的提高。 我們已經(jīng)把DDS9850用在HX-11傳輸測(cè)試儀中，該傳輸測(cè)試儀是針對(duì)電力載波通信而設(shè)計(jì)的，主要用于電力載波線(xiàn)的電平、增益、衰減、防衛(wèi)度等特性的測(cè)試，還可作電平指示、頻譜分析和導(dǎo)頻測(cè)量。在儀器的設(shè)計(jì)上，一方面采用了LCD全漢字顯示，使操作非常方便；另一方面應(yīng)用了DDS技術(shù)，使穩(wěn)定性和頻率精度提高。其原理如圖4所示，DDS9850在電路中作為本振產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的-9 dB正弦波信號(hào)fdds，輸入頻率信號(hào)經(jīng)放大或衰減后得到-40 dB的電平信號(hào)，此信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，然后送到窄帶帶通濾波器(LPF)，輸出的信號(hào)再經(jīng)整流，得到直流輸出。當(dāng)DDS9850產(chǎn)生的頻率與輸入頻率的差值等于窄帶帶通濾波器的中心頻率時(shí)，濾波器有一定的輸出，否則，濾波器輸出為0。這樣只要測(cè)量經(jīng)過(guò)整流過(guò)的直流信號(hào)電壓，就可將輸入信號(hào)的頻率、幅度、穩(wěn)定性測(cè)量出來(lái)。運(yùn)用此方法，關(guān)鍵在于本振信號(hào)的產(chǎn)生。傳統(tǒng)上采用LC模擬電路或PLL技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率合成，在頻率的精確定位上不易實(shí)現(xiàn)，從而造成精度不高、測(cè)量不方便等因素，使整機(jī)的精度和使用都達(dá)不到理想水平?，F(xiàn)在采用了數(shù)字化可編程頻率合成器DDS9850后彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。

由于DDS9850外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制方便，并且輸出信號(hào)純凈，幾乎不含噪聲，非常適合精確頻率合成方面的應(yīng)用。在實(shí)際使用中，數(shù)字化可編程頻率合成器DDS9850還可應(yīng)用于信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀或通訊載波領(lǐng)域中。