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)憑借其相對帶寬寬、轉(zhuǎn)換時間短、分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號、可編程、全數(shù)字化以及控制靈活方便等特性，近年來得到普遍應(yīng)用。本文介紹了DDS的原理和技術(shù)特點，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)勢和缺陷。

頻率合成理論自20世紀30年代提出以來，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，美國學(xué)者J.TierncyC.M.Rader和B.Gold提出這一概念，近年來隨著數(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，它將先進的數(shù)字信號處理（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)無法解決的問題。

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

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)，通過控制頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率信號。DDS主要由參考時鐘、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。

參考時鐘由一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生，來同步整個頻率合成器的各個組成部分。N位加法器與N位相位寄存器級聯(lián)構(gòu)成相位累加器，每來一個時鐘脈沖，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時鐘作用后產(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時鐘的作用下繼續(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鐘的作用下進行線性相位累加。當相位累加器達到上限時，就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是合成信號的一個周期，累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號頻率。

在參考時鐘的控制下，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正弦表進行查找。查找表中的每個地址代表一個周期正弦波的一個相位點，每個相位點對應(yīng)一個量化振幅值。因此，這個查找表相當于一個相位/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)低通濾波器對階梯波進行平滑處理，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N=32，K=1，相應(yīng)的輸出正弦波頻率等于時鐘頻率除以232。通過控制頻率控制字的改變和寄存器位數(shù)的增加，可以得到令人滿意的頻率。在實際應(yīng)用的DDS系統(tǒng)里，并不會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，一般只取能夠達到工程需要的高幾位，達到極限和實用的完美結(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器來替代，得到圖2。

每個波形存儲器中存儲一個周期的任意波形信號，每個周期由若干波形點構(gòu)成，每個點和相位一一對應(yīng)，所以又相當于一個相位/振幅變換器，振幅信息通過D/A轉(zhuǎn)換器生成階梯波形，經(jīng)過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)字信號發(fā)生器的采樣頻率為300MHz，存儲深度為512K個樣點，可以產(chǎn)生高達40MHz、12位垂直分辨率的穩(wěn)定任意波，并且可以存儲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

對于512K的存儲深度，任意信號發(fā)生器的使用者可以在必要的位置對波形點進行編輯，即只編輯若干點。以普源精電科技的DG3000系列產(chǎn)品為例，用戶編輯若干點后，可以選擇使用插值的方式或者使用重復(fù)前一點的方式來填充剩余點。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。

隨著計算機接口技術(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，可以對已有波形進行裁減、復(fù)制、粘貼、翻轉(zhuǎn)、數(shù)學(xué)運算等等，也可以使用逐點的方式自定義波形。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

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

較高的輸出分辨率

當參考時鐘頻率和相位累加器的位寬滿足一定的要求時，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)換時間小

直接數(shù)字頻率合成是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，故DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間主要是DDS的數(shù)字處理延時，通常僅為ns量級。既克服了傳統(tǒng)方式的轉(zhuǎn)換時間大的問題，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在改變頻率時只需改變頻率控制字（即累加器累加步長），而不需改變原有的累加值，故改變頻率時相位是連續(xù)的。同時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，而且在頻率升高時雜散和噪聲也隨之增加。同時由于受當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)生達到奈氏極限頻率的任意波形。例如，由十個循環(huán)正弦波組成的任意波，輸出頻率設(shè)置為5MHz，實際的輸出頻率是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格也在不斷下降。同時，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)的問題能夠另辟蹊徑，得到解決?？梢灶A(yù)見DDS技術(shù)在任意波形發(fā)生器中的應(yīng)用會越來越多，任意波形發(fā)生器的頻率和精度會越來越高，同時價格也會越來越低。