《射频电路设计》第7章 DDS基础.pptxVIP

7.1 DDS电路基础 直接数字式频率合成器（DDS）是将先进的数字处理理论与方法引入频率合成的一项新技术，DDS把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号。7.1.1 DDS（直接数字式频率合成器）基本原理与结构DDS有两种基本合成方式：一种是根据正弦函数关系式，按照一定的时间间隔利用计算机进行数字递推关系计算，求解瞬时正弦函数幅值并实时地送入数/模转换器，从而合成出所要求频率的正弦波信号。这种合成方式具有电路简单、成本低、合成信号频率的分辨率可做得很高等优点，但由于受计算机速度的限制，合成信号频率较低，一般在几千赫兹左右；另一种合成方式是用硬件电路取代计算机的软件运算过程，即利用高速存储器将正弦波的M个样品存在其中，然后以查表的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速数/模转换器，变换成所设定频率的正弦波信号，这种合成方式由于采用高速存储器产生正弦波幅值数据，因此合成频率已可以做得很高，目前已达到数百兆赫。这就是目前使用最广泛的一种DDS频率合成方式。对于一个周期的正弦连续信号，可以沿其相位轴方向，以等量的相位间隔对其进行相位-幅值取样，得到一个周期的正弦波信号的离散相位幅值序列。然后，根据合成波形的精度要求，采用接近的整数值表示其相应的幅值序列。即对模拟幅值进行量化，量化后的幅值采用相应的二进制数据进行编码。这样就把一个周期的正弦波连续信号转换成一系列离散的二进制表示的数字量，然后通过一定的方法固化在只读存储器中，每个存储单元的地址就是相位取样地址，存储单元的内容即是已经量化的正弦波幅值。这样的一只只读存储器就构成了一个与0°～360°相位取样相对应的正弦函数功能表，只要输入相位地址，就可立即得到对应的正弦波幅值数据，从而取代了计算机对正弦函数关系的递推运算。由于只读存储器的工作速度很高，从而合成信号频率也就可以做高。所以，高速只读正弦波波形存储器是目前DDS频率合成的核心单元。现以正弦波为例进一步说明如下。在正弦波一周期（360°）内，按相位划分为若干等份??，将各相位所对应的幅值A按二进制编码并存入ROM。设??=6°，则一周期内共有60等份。由于正弦波对180°为奇对称，对90°和270°为偶对称，因此ROM中只需存0°～90°范围内的幅值码。若以??=6°计算，在0°～90°之间共有15等份，其幅值在ROM中占16个地址单元。因为24=16，所以可以按4位地址码对数据 ROM进行寻址。现设幅值码为5位，则在0°～90°范围内编码关系见表7.1.1。设基准时钟的频率为固定值fc在时钟的作用下，如果按照0000，0001，0010，…，1111的地址，顺序读出ROM中的数据，即表7.1.1中的幅值编码，其输出正弦信号频率为fo1；如果每隔一个地址读一次数据（即按0000，0010，0100，…，1110顺序），其输出信号频率为fo2，且fo2将比fo1提高一倍，即fo2=2fo1；其余类推。这样，就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节。上述过程是由控制电路实现的，由控制电路的输出决定选择数据ROM的地址（即正弦波的相位）。输出信号波形的产生是相位逐渐累加的结果，这由累加器实现，称为相位累加器。DDS基本结构框图如图7.1.1所示。DDS由相位累加器、正弦查询表、数/模转换器（DAC）和低通滤波器组成。图7.1.1中的参考时钟是一个稳定的晶体振荡器，用它来同步整个合成器的各个组成部分，相位累加器类似于一个简单的计数器，在每个时钟脉冲输入时，它的输出就增加一个步长的相位增量值。相位累加器把频率控制字FSW的数据变成相位抽样来确定输出频率的大小。相位增量的大小随外部指令FSW的不同而不同，一旦给定了相位增量，输出频率也就确定了。 图7.1.1中正弦查询表是一个可编程只读存储器（PROM），存有一个或多个完整周期的正弦波数据。在时钟fc驱动下，地址计数器逐步经过PROM存储器的地址，地址中相应的数字信号输出到N位数/模转换器（DAC）的输入端，由 DAC转换成模拟信号。当用这样的数据寻址时，正弦查表就把存储在相位累加器中的抽样值转换成正弦波幅度的数字量函数。数/模转换器把数字量变成模拟量，低通滤波器（LPF）进一步平滑并滤掉带外杂散信号，得到所需正弦波波形。图7.1.1 DDS基本结构框图DDS的输出频率fo和基准时钟fc、相位累加器长度N及频率控制字FSW的关系为fo= fc·FSW/2N （7.1.1）DDS的频率分辨率为?fo= fc / 2N （7.1.2）由于DDS的输出最大频率受奈奎斯特（Nyquist）抽样定理限制，所以有fmax = fc / 2（7.1.3）常用的可编程DDS结构如图7.1.2所示。该DDS系统的核心是相位累加器，它由两个加法器Σ和一个N位相位寄存器组成，N一般