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1、直接數字頻率合成技術 (DDS)東南大學無線電系束海泉Tel:83792479比賽中用到的波形發(fā)生器波形是信息和能量的載體,它無處不在.歷來的賽題中,絕大部分都直接和間接地與波形發(fā)生器有關.例如:1,要求制作一個信號源如第二屆的”實用信號源的設計和制作”,第六屆的”射頻振蕩器制作”,第五屆的“波形發(fā)生器”等2,賽題中,需要用到信號源如數據采集,無線電接收,元件參數測試儀,頻率計,頻率特性測試儀等.DDS技術是一種先進的波形產生技術,已經在實際中獲得廣泛應用,在比賽中也應該優(yōu)先考慮采用.頻率綜合技術概述頻率可變的振蕩源
2、通過改變R,L,C元件參數改變正弦振蕩的頻率通過改變充放電電流改變振蕩頻率改變R改變L改變C改變電流壓控振蕩器VCO用斜波掃描電壓(流)控制產生掃頻振蕩器用于頻率穩(wěn)定度和精度儀器不高的場合頻率合成技術間接合成法------鎖相環(huán)PLL直接模擬合成法(早期的直接合成法)------通過模擬電路實現(xiàn)多級的連續(xù)混頻分頻,獲得很小的頻率步進,電路復雜,不易集成直接數字合成法------DDSVCO--用電壓(流)控制振蕩頻率改變R改變L改變C改變電流頻率綜合技術概述開環(huán)VCO的頻率穩(wěn)定度和頻率精度較低PLL使輸出頻率的穩(wěn)定度
3、和精度,接近參考振蕩源(通常用晶振)PLL框圖如下:PLL的構成在反饋環(huán)路中插入頻率運算功能,即可改變PLL的輸出頻率.有三種頻率運算方式:倍頻分頻混頻分別進行頻率的×,÷,±運算上述運算由模擬和數字電路混合實現(xiàn),由數字鑒相器,數字分頻器,壓控振蕩器和模擬環(huán)路濾波器組成.輸出頻率分別為參考頻率的N倍,1/N,±FLPLL為了使輸出頻率有更高的分辨率,常用到多環(huán)頻率合成和小數分頻等技術.隨著頻率分辨率的提高,PLL的鎖定時間也越長,頻率變化越慢.DDS1971年,由J.Tierney和C.M.Tader等人在“ADig
4、italFrequencySynthesizer”一文中首次提出了DDS的概念,DDS或DDFS是DirectDigitalFrequencySynthesis的簡稱通常將此視為第三代頻率合成技術.它突破了前兩種頻率合成法的原理,從”相位”的概念出發(fā)進行頻率合成.這種方法不僅可以產生不同頻率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位.還可以用DDS方法產生任意波形(AWG)DDS原理工作過程為:1,將存于數表中的數字波形,經數模轉換器D/A,形成模擬量波形.2,兩種方法可以改變輸出信號的頻率:(1),改變查表尋址的時鐘CL
5、OCK的頻率,可以改變輸出波形的頻率.(2),改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率.DDS即采用此法.步長即為對數字波形查表的相位增量.由累加器對相位增量進行累加,累加器的值作為查表地址.3,D/A輸出的階梯形波形,經低通(帶通)濾波,成為質量符合需要的模擬波形.累加器的工作示意圖設相位累加器的位寬為2N,Sin表的大小為2p,累加器的高P位用于尋址Sin表.時鐘Clock的頻率為fc,若累加器按步進為1地累加直至溢出一遍的頻率為若以M點為步長,產生的信號頻率為M稱為頻率控制字該DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加
6、法器和一個位相位寄存器組成，每來一個時鐘，相位寄存器以步長增加，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表地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數字幅度信息，每個地址對應正弦波中0~360o范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度的數字量信號，驅動DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經過2N/M個fc時鐘后回到初始狀態(tài)，相應地正弦查詢表經過一個循環(huán)回到初始位置，整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出正弦波周期為頻率為頻率控制字與輸出信號頻率和參考時鐘頻率之間的關系為：其中N是相位累加器的字長。
7、頻率控制字與輸出信號頻率成正比。由取樣定理，所產生的信號頻率不能超過時鐘頻率的一半，在實際運用中，為了保證信號的輸出質量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33%,以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內。在圖中，相位累加器輸出位并不全部加到查詢表，而要截斷。相位截斷減小了查詢表長度，但并不影響頻率分辨率，對最終輸出僅增加一個很小的相位噪聲。DAC分辨率一般比查詢表長度小2~4位。通常用頻率增量來表示頻率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率為這個增量也就是最低的合成頻率。最高的合成頻率受奈奎斯特抽樣定理的限制，所以有與PLL不同,D
8、DS的輸出頻率可以瞬時地改變,即可以實現(xiàn)跳頻，這是DDS的一個突出優(yōu)點，用于掃頻測量和數字通訊中，十分方便。DDS這種技術的實現(xiàn)依賴于高速數字電路的產生，目前，其工作速度主要受D/A變換器的限制。利用正弦信號的相位與時間呈線性關系的特性，通過查表的方式得到信號的瞬時幅值，從而實現(xiàn)頻率合成。DDS具有超寬的相對寬帶，超高的捷變速率，超細的分辨率以
