DDS在任意波發(fā)生器中的應(yīng)用

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)憑借其相對(duì)帶寬寬、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程、全數(shù)字化以及控制靈活方便等特性，近年來(lái)得到普遍應(yīng)用。本文介紹了DDS的原理和技術(shù)特點(diǎn)，給出DDS在任意波形發(fā)生器中的應(yīng)用并討論了在任意波形發(fā)生器中采用DDS的優(yōu)勢(shì)和缺陷。

頻率合成理論自20世紀(jì)30年代提出以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展，目前主要有四種技術(shù)：直接模擬頻率合成、鎖相頻率合成、直接數(shù)字頻率合成以及混合式頻率合成技術(shù)。

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是指從相位量化概念出發(fā)直接合成所需波形。1971年，美國(guó)學(xué)者J.TierncyC.M.Rader和B.Gold提出這一概念，近年來(lái)隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，直接數(shù)字合成技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。同時(shí)，它將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）理論和方法引入到頻率合成領(lǐng)域中，從而有效的解決了許多模擬合成技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題。

任意波形發(fā)生器（AWG）是信號(hào)源的一種，具有信號(hào)源所有的特點(diǎn)，而且可以產(chǎn)生任何可以設(shè)計(jì)的波形，適合各種仿真和測(cè)試要求，極大的方便了設(shè)計(jì)和調(diào)試。日前，北京普源精電公司（RIGOL TECHNOLOGIES）率先推出了國(guó)內(nèi)新一代直接數(shù)字頻率合成（DDS）信號(hào)發(fā)生器DG3000系列，并以強(qiáng)大的功能和人性化設(shè)計(jì)，給國(guó)內(nèi)用戶(hù)提供了良好的選擇。

直接數(shù)字合成原理

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是采用數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)控制頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率信號(hào)。DDS主要由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成，如圖1。

參考時(shí)鐘由一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生，來(lái)同步整個(gè)頻率合成器的各個(gè)組成部分。N位加法器與N位相位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成相位累加器，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器就將頻率控制字Ｋ與相位寄存器中的數(shù)據(jù)相加。相位寄存器可以將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)將相位數(shù)據(jù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下進(jìn)行線(xiàn)性相位累加。當(dāng)相位累加器達(dá)到上限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是合成信號(hào)的一個(gè)周期，累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號(hào)頻率。

在參考時(shí)鐘的控制下，頻率控制字送入相位累加器。用相位累加器的輸出作為正弦查找表的查找地址對(duì)正弦表進(jìn)行查找。查找表中的每個(gè)地址代表一個(gè)周期正弦波的一個(gè)相位點(diǎn)，每個(gè)相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化振幅值。因此，這個(gè)查找表相當(dāng)于一個(gè)相位/振幅變換器，它將相位累加器的相位信息映射成數(shù)字振幅信息。查找后的振幅數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。

設(shè)頻率控制字是K，輸出頻率為fo，參考時(shí)鐘是fclk，相位寄存器N位，頻率分辨率是Δfo 那么有下面的公式：

當(dāng)N=32，K=1，相應(yīng)的輸出正弦波頻率等于時(shí)鐘頻率除以232。通過(guò)控制頻率控制字的改變和寄存器位數(shù)的增加，可以得到令人滿(mǎn)意的頻率。在實(shí)際應(yīng)用的DDS系統(tǒng)里，并不會(huì)把相位累加器的所有輸出位都送到查找表，為了既能減少查找表的規(guī)模，又不影響系統(tǒng)的頻率分辨率，一般只取能夠達(dá)到工程需要的高幾位，達(dá)到極限和實(shí)用的完美結(jié)合。

用于任意波形發(fā)生器的DDS

任意波形產(chǎn)生原理

隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）理論和方法引入到頻率合成領(lǐng)域中，任意波形發(fā)生器使用直接數(shù)字合成的方式可以方便地產(chǎn)生各種需求的波形。將圖1中的正弦查找表使用波形存儲(chǔ)器來(lái)替代，得到圖2。

每個(gè)波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一個(gè)周期的任意波形信號(hào)，每個(gè)周期由若干波形點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)點(diǎn)和相位一一對(duì)應(yīng)，所以又相當(dāng)于一個(gè)相位/振幅變換器，振幅信息通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器生成階梯波形，經(jīng)過(guò)濾波得到需要的波形。

北京普源精電科技有限公司生產(chǎn)的DG3000系列數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的采樣頻率為300MHz，存儲(chǔ)深度為512K個(gè)樣點(diǎn)，可以產(chǎn)生高達(dá)40MHz、12位垂直分辨率的穩(wěn)定任意波，并且可以存儲(chǔ)4組已編輯的任意波形。任意波在波形編輯器的波形如圖3所示。

創(chuàng)建任意波形

對(duì)于512K的存儲(chǔ)深度，任意信號(hào)發(fā)生器的使用者可以在必要的位置對(duì)波形點(diǎn)進(jìn)行編輯，即只編輯若干點(diǎn)。以普源精電科技的DG3000系列產(chǎn)品為例，用戶(hù)編輯若干點(diǎn)后，可以選擇使用插值的方式或者使用重復(fù)前一點(diǎn)的方式來(lái)填充剩余點(diǎn)。為了獲得最好的效果，以及將電壓量化誤差減少到最小，通常使用插值的方式。

隨著計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展和DSP技術(shù)的引入，使用波形編輯軟件創(chuàng)建波形，可以對(duì)已有波形進(jìn)行裁減、復(fù)制、粘貼、翻轉(zhuǎn)、數(shù)學(xué)運(yùn)算等等，也可以使用逐點(diǎn)的方式自定義波形。這種方式，方便快捷靈活，精確度也較高，特別適合時(shí)域波形的編輯。DG3000提供的波形編輯軟件，美觀大方，使用方便，為波形編輯帶來(lái)便利，而且還可以編輯數(shù)字波形，拓寬了使用的領(lǐng)域。

DDS產(chǎn)生任意波的優(yōu)缺點(diǎn)

使用直接數(shù)字合成的方式產(chǎn)生任意波相對(duì)于傳統(tǒng)方式具有很多優(yōu)勢(shì)。

較高的輸出分辨率

當(dāng)參考時(shí)鐘頻率和相位累加器的位寬滿(mǎn)足一定的要求時(shí)，輸出分辨率可以非常小。使用DDS技術(shù)產(chǎn)生的任意波在精度上非常高，誤差很小。

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間小

直接數(shù)字頻率合成是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)任何反饋環(huán)節(jié)，故DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間主要是DDS的數(shù)字處理延時(shí)，通常僅為ns量級(jí)。既克服了傳統(tǒng)方式的轉(zhuǎn)換時(shí)間大的問(wèn)題，又有效解決了PLL的高分辨率和快速轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾。

輸出相位連續(xù)

DDS在改變頻率時(shí)只需改變頻率控制字（即累加器累加步長(zhǎng)），而不需改變?cè)械睦奂又?，故改變頻率時(shí)相位是連續(xù)的。同時(shí)由于固有的缺陷和任意波發(fā)生中的特殊情況，DDS技術(shù)還有待提高。

固有缺陷

DDS固有的雜散和噪聲大，而且在頻率升高時(shí)雜散和噪聲也隨之增加。同時(shí)由于受當(dāng)前集成電路工藝以及材料的限制，DDS目前的最高工作頻率也受到了限制。

任意波形發(fā)生器應(yīng)用中的特殊問(wèn)題

通常，使用DDS技術(shù)輸出任意波形的頻率符合奈奎斯特抽樣定理，但是，由于任意波形的特殊性，使用DDS技術(shù)并不能產(chǎn)生達(dá)到奈氏極限頻率的任意波形。例如，由十個(gè)循環(huán)正弦波組成的任意波，輸出頻率設(shè)置為5MHz，實(shí)際的輸出頻率是50MHz。振幅將被3dB帶寬的限制所削減，設(shè)定的輸出頻率越高，波形混疊和失真就越嚴(yán)重。

隨著數(shù)字技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，DDS芯片不斷推陳出新，性能得到顯著提高價(jià)格也在不斷下降。同時(shí)，DDS技術(shù)和DSP理論方法的結(jié)合，相得益彰，使得很多困擾DDS技術(shù)的問(wèn)題能夠另辟蹊徑，得到解決?？梢灶A(yù)見(jiàn)DDS技術(shù)在任意波形發(fā)生器中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，任意波形發(fā)生器的頻率和精度會(huì)越來(lái)越高，同時(shí)價(jià)格也會(huì)越來(lái)越低。