基于DDS技术的信号发生器.doc

摘要基于DDS技术的信号发生器是随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源。此种信号发生器具有输出频率稳定、准确，波形质量好和输出频率范围宽等一系列独特的优点，是信号发生器研究的一个重要方向。DDS技术是一种先进的频率合成技术，其主要优点是易于程控，相位连续，输出频率稳定度高，分辨率高。本文详细讨论了DDS系统的基本组成、工作原理和特点。 本系统选用Altera公司的DDS芯片AD9854，文中介绍AD9854的结构、特点及使用方法，并详细讨论了AD9854在DDS技术实现中的具体应用。最后，作者应用DDS技术研制了一个实际的信号发生器，并给出了基于DDS技术的信号发生器的电路框图，设计过程和详细的软件程序。通过样机的测试结果，证明本信号发生器达到了预期的设计要求，其性能指标明显优于传统的函数发生器。论文结尾对DDS技术和信号发生器技术的发展作了进一步展望。关键词:直接数字频率合成；信号发生器；频率；相位；幅度AbstractWith the development of the technique of computer and microelectronics，a new single generator based on Direct Digital Synthesis (DDS) comes into being. This single generator has a series of particular virtues, including the stable frequency of output, high quality waveform and wide modulation bandwidth, which is an important trend of study of single generator DDS is an advanced technique on frequency synthesis, whose primary advantages are controlling facility, continuous phase and fine frequency resolution. This paper introduces in detail the composition, the working principle and the properties of DDS.In this paper, Altera AD9854 is select to realize DDS. The frame, specialty and using of AD9854 are discussed in detail. Finally， the author has research and developed a signal generator with the technique of DDS. The circuit framework, designing method and detail software procedure are given in this paper. The result of experimentation proves that this signal generator has excelled traditional function and attained the desire of design. In the end of this paper, the prospect of the development of DDS and signal generator is given.Key words: DDS; signal generator; frequency; phase; amplitude 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1信号发生器技术11.2频率合成技术21.3 DDS技术与任意波形发生器3第2章 DDS技术62.1 DDS概述62.2实现DDS的三种技术方案82.3直接数字频率合成技术122.4 DDS技术产生信号波形的原理13第3章 芯片介绍163.1 AD9854介绍163.2核心CPU的选择183.3单片机AT89C52213.4单片机控制电路24第4章 信号发生器的设计264.1系统硬件设计264.2系统软件设计26第5章 前景展望28结论29参考文献30附录1：32附录2：41致谢42第1章 绪论信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。1.1信号发生器技术1.1.1信号发生器的发展信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器。早在二十年代，当电子设备刚开始出现时，它就出现了。随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单(与数字仪器、示波器等相比)，因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。1.1.2信号发生器的分类信号发生器的应用非常广泛，种类也相当繁多。首先，信号发生器可以分为通用和专用两大类。专用信号发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波形发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和任意波形发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以通过频率合成技术来获得所需的频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器所谓频率合成技术就是指从一个高稳定和准确的参考频率源，经过技术处理，生成大量离散的频率输出。技术处理方法可以是传统的用硬件实现频率的加、减、乘、除基本运算，可以是锁相环技术，也可以是各种数字技术和计算技术。参考频率可由高稳定的参考振荡器(一般为晶体振荡器)产生，所生成的一系列离散频率输出与参考振荡器频率有严格的比例关系，并且具有同样的准确度和稳定度。目前，国内生产的波形发生器大部分是利用分立元件及模拟集成电路构成的，转换量程靠手动来实现，不仅体积大，而且可靠性和准确度很难进一步提高。其另一个局限性是只能产生规则波形，如宁波东风无线电厂的DFI 64 IA型信号发生器就只能产生方波、三角波和正弦波。生产实际和科学试验则对信号源的输出波形提出了各种各样的要求，采用纯模拟的方法很难满足要求。另外以LC或RC自激振荡为主振级的信号发生器虽然具有频率范围宽，结构简单等优点，但是频率的稳定性和准确性较差，频率的时间稳定度一般劣于1*101/5/分，频率准确度一般在0.5%以下。而现代电子测量对信号源的频率准确度和稳定度要求越来越高，要求在较宽的频率范围内可以获得输出频率的高稳定度和准确度。对于作为精密测量用的信号发生器，其频率稳定度一般要求达到10-610-7。因此传统的信号发生器己经越来越不能满足现代电子测量的需要。而合成信号发生器则具有很高的频率稳定度和精确度，其频率准确度一般可达到10-9或更好的水平。利用频率合成技术制成的合成信号发生器，通常被称为频率合成器或频率综合器。但严格地说，它们是有区别的。频率合成器是指利用频率合成技术合成的频率源，它常常是没有调制的，也没有足够宽的和足够准确的输出电平调节，其工作频率范围往往不是很宽，最小频率间隔也比较大，一般作为专用设备使用，或作为某个系统中的一个组成部分，如通讯设备中的激励源和本振等。合成信号发生器是通用的电子测量仪器，是一种具有高频率稳定度和准确度的测量用信号发生器。因此，它可以输出多种波形，有宽而准确的输出电平调节，有较宽的输出频率范围，较小的频率间隔。基于频率合成原理制成的信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，因此发展非常迅速。尤其是最近随着现代电子技术的发展，其应用更是有了质的飞跃。1.2频率合成技术频率合成技术在本世纪30年代开始提出川，它的发展己经有70年的历史。在这70年的历史中，大致可以分成三个发展阶段:直接式频率合成技术，锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。所谓直接频率合成技术，就是用倍频、分频和混频电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘和除的运算，从而产生所需要的频率信号，并通过窄带滤波器选出。这是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单，易于实现。其合成方法大致可分为两种基本类型:一种是所谓非相关合成方法，另一种是所谓相关合成方法。这两种合成方法的主要区别在于所使用的参考频率源的数目不同。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些参考源提供。它的缺点在于制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难，而且成本很高。相关合成方法只使用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到的，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样，现在绝大多数直接频率合成技术都使用这种合成方法。直接频率合成器的频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，频率间隔较小(10-2Hz)，工作稳定可靠;但是寄生输出大，需要大量的模拟元件，结构复杂，体积大，成本高。直接频率合成技术所固有的缺点，在锁相环(Phase-Locked Loops)频率合成技术中得到了很大的改善。锁相环频率合成技术(简称PLL)是在40年代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的，最早用于电视机的扫描同步电路，以减少噪声对同步的影响，从而使电视的同步性能得到重大改进。同时，它的低噪声跟踪特性也得到人们的高度重视，发展越来越快，以致于今天被广泛的应用于无线电技术领域的各个方面。锁相频率环合成技术也叫间接式频率合成，这种合成方法所使用的电路较直接式频率合成简单。它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。锁相环频率合成技术的原理框图如图1-1所示。其主要由四部分构成，晶体参考频率源提供基准频率fs，压控振荡器的输出频率f0经分频器分频后，送入鉴相器，与基准频率进行相位比较，从而产生误差信号，并以此误差信号来调整压控振荡器的输出。其中环路滤波器起着平滑鉴相器输出电压的作用，它能滤掉高频部分和噪声，从而增加系统的稳定性。图1-1锁相环颇率合成技术的原理框图 锁相环频率合成技术提供了一种从单个参考频率获得大量稳定而准确的输出频率的方法，并且频率输出范围宽，电路结构简单，成本低。但是，锁相环频率合成技术也有它的问题，例如响应慢就是它的固有缺点。由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也就比较长。所以锁相环频率合成器要想同时得到较高的频率分辨率和转换率非常困难，。锁相环的频率转换时间一般为毫秒级，同时频率间隔也不可能做得很小。1.3 DDS技术与任意波形发生器就频率合成技术来讲，直接数字频率合成技术 (Direct DigitalSynthesis)完全不同于我们己经熟悉的直接频率合成技术和锁相环频率合成技术。直接数字频率合成技术(简称DDS)的理论早在七十年代就被提出，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表法产生波形，由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路技术的飞速发展，DDS技术的优越性己逐步显现出来。不少学者认为，DDS是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。与其他频率合成方法相比较，直接数字频率合成技术的主要优点是易于程控，相位连续，输出频率稳定度高，分辨率高。其频率分辨率可以达到10-3Hz，甚至更低。而且频率转换速度快，可小于100ns”，特别适宜用在跳频无线通信系统。其相位噪声主要决定于参考时钟振荡器。目前，DDS系统的时钟频率己经超过了1.6GHz，其输出频率已高达800MHz。 除此之外，由于DDS技术是利用查表法来产生波形的，所以它也适用于信号发生器。这是DDS技术另一个非常重要的应用。1.3.1基于DDS技术的波形发生器 任意波形发生器（简称AGW）是随着众多领域对于复杂的，可由用户定义的测试信号波形的日益增长的需要，随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新的测试仪器。作为当代最新的一类信号源，它正日益引起人们的重视。 基于DDS技术的任意波形发生器用高速存储器作为查找表，通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，而且还可以利用各种编辑手段，产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。如它能模拟诸如编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及各种各样的神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器(DSO)捕获的波形。由于它能产生任意波形，因而它的应用范围就更加的广阔，如在通讯、广播、雷达、测控、声学、机械振动和生物学等方面都有着重要的用途。而且基于DDS技术的任意波形发生器还具有输出频率稳定准确，波形质量好和输出频率范围宽等一系列独特的优点。1.3.2 AWG的主要性能指标AWG的主要性能指标有以下三项：1.最高取样速率:它决定了输出波形的最大频率。由奈奎斯特定理 (每个周期至少采样两次才能重构波形)可知，其输出波形的频率小于最高取样速率的二分之一。因此，最高取样速率越高，输出波形的最高频率就越大。现在的AWG产品的该项指标一般在IMS/sec l.024GS/sec之间。2.垂直分辨率:也称输出幅度分辨率，主要取决于D/A转换器，以位 数表示。位数越大，则输出波形的幅度量化误差越小，输出波形越逼真。现在的AWG产品一般为816bits。3.波形存储容量:以存储波形的容量来表示。容量越大，存储的波形就可以越复杂或是同时可以存储不同的波形。一般产品存储容量为8k16M。1.3.3 AWG的产品国外九十年代AWG中技术指标最高的是美国TEK公司的AWG204O产品，其最高取样速率为1 .024Gs/see，垂直分辨率为8bits，波形存储容量为1M。但是其报价相当的昂贵，为$l9，995。国内目前的AWG产品还很少，且性能指标都不高，如南京某研究所研制的V102型高速可编程波形发生器，最高取样速率为100MS/sec，垂直分辨率为sbits，波形存储容量为128K，其报价为3万元。九十年代之后，AWG作为信号发生器家族的一个新成员，技术发展十分迅速，市场份额也日渐扩大，其状况和地位有如示波器家族中的数字存储示波器。以美国TEK公司为代表的国际各大电子测量仪器公司，其AWG产品己经纷纷形成系列，开始逐步取代传统的函数发生器，可以说AWG已经成为信号源的发展方向。第2章 DDS技术DDS技术的基本理论虽早在70年代就已经提出来了，但是由于硬件条件的限制，它在初期并没有得到很大的重视。最近几年，随着现代电子技术和大规模集成电路的发展，DDS技术得到了飞速的发展，并已成为最重要的频率合成技术。DDS技术虽然最初是作为频率合成技术提出的，但现在它也被广泛应用于任意波形发生器。本章将详细介绍直接数字频率合成技术的原理、特点以及该技术在任意波形发生器中的应用。2.1 DDS概述在现代电子系统中，经常需要产生稳定的重复波形，例如正弦波或者方波。在一些场合，还要求产生信号的频率能准确调节;甚至要求产生多路信号，而且这些信号之间的相位保持确定的关系。DDS(direct digital synthesis，直接数字合成)是一种应用数字技术产生信号波形的方法。DDS技术建立在采样定理的基础上，它首先对需要产生的信号波形进行采样和量化，然后存入存储器作为待产生信号波形的数据表。输出信号波形时，电路在一个高稳定时钟信号控制下从数据表中依次读出信号波形的数据，产生数字化的信号，这个信号再通过DAC转换成所需的模拟信号波形。相对于其它信号波形产生技术，DDS技术具有输出信号的采样频率固定、频率稳定性高、信号频率转换时间短、输出相位连续、全数字化、可编程和易于控制等优点。基于DDS技术，AD公司已制成多种信号产生器芯片。本文应用AD9854设计了一种具有2路输出的信号源，相位可在0°-359° 范围内变化，相位分辨率为1°工作频率为O-300KHz，频率分辨率为 1Hz;幅度分辨率为12位。2.1.1 DDS历史1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”一文中首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新合成原理。限于当时的技术和器件，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近1年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。2.1.2 DDS基本原理及性能特点DDS的基本大批量是利用采样定量，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图1-1来表示。相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs加法器将控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位加累加。由此可以看出，相位累加器在每一个中输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址。这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分头放力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。（1）输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为50%fs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。（2）频率转换时间短DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的传输，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。（3）频率分辨率极高若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就是则相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mHz甚至更小。（4）相位变化连续改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。（5）输出波形的灵活性只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。图 2-1 DDS的原理框图（6）其他优点由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。DDS也有局限性，主要表现在：（1）输出频带范围有限由于DDS内部DAC和波形存储器（ROM）的工作速度限制，使得DDS输出的最高频有限。目前市场上采用CMOS、TTL、ECL工艺制作的DDS工习片，工作频率一般在几十MHz至400MHz左右。采用GaAs工艺的DDS芯片工作频率可达2GHz左右。（2）输出杂散大由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。2.2实现DDS的三种技术方案2.2.1采用高性能DDS单片电路的解决方案随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1s;美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。AD公司的常用DDS芯片选用列表见表1-1。下面仅对比较常用的AD9850芯片做一简单介绍。AD9850是AD公司采用先进的DDS技术1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。AD9850接口控制简单，可以用8位并行口或串行口经、相位等控制数据。32位频率控制字，在125MHz时钟下，输出频率分产率达0.029Hz。先进的CMOS工艺使AD9850不仅性能指标一流，而且功耗少，在3.3V供电时，功耗仅为155mW。扩展工业级温度范围为-40+85摄氏度，其封装是28引脚的SSOP表面封装。AD9850采用32位相位累加器，截断成14位，输入正弦查询表，查询表输出截断成10位，输入到DAC。DAC输出两个互补的模拟电流，接到滤波器上。调节DAC满量程输出电流，需外接一个电阻Rset，其调节关系是Iset=32（1.248V/Rset），满量程电流为1020mA。表2-1 AD公司的常用DDS芯片选用列表型号最大工作（MHz）工作电压（V）最大功耗(mw)备注AD9832253.3/5120小型封装，串行输入，内置D/A转换器AD9831253.3/5120低电压，经济，内置D/A转换器AD9833252.55.52010个管脚的uSIOC封装AD9834502.55.52520个管脚的TSSOP封装并内置比较器AD9835505200经济，小型封装，串行输入，内置D/A转换器AD9830505300经济，并行输入，内置D/A转换器AD98501253.3/5480内置比较器和D/A转换器AD98531653.3/51150可编程数字QPSK/16-QAM解调器AD98511803/3.3/5650内置比较器、D/A转换器和时钟6倍频器AD98523003.31200内置12位D/A转换器、高速比较器、线性调频和可编程参考时钟倍频器AD98543003.31200内置12位两路正较D/A转换器、高速比较器和可编程参考时钟倍频器AD985810003.32000内置10位D/A转换器、150MHz相频检测器、充电泵和2GHz混频器2.2.2采用低频正弦波DDS单片电路的解决方案Micro Linear公司的电源管理事业部推出低频正弦波DDS单片电路ML2035以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。ML2035特性：（1）输出频率为直流到25kHz，在时钟输入为12.352MHz野外频率分辨率可达到1.5Hz（-0.75+0.75Hz），输出正弦波信号的峰-峰值为Vcc；（2）高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持，自带312MHz晶体振荡电路；（3）兼容的3线SPI串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机使用；（4）增益误差和总谐波失真很低。ML2035为DIP-8封装，各引脚功能如下：（1）Vss：-5V电源；（2）SCK：串行时钟输入，在上升沿将串行数据锁入16位移位寄存器；（3）SID：串行数据输入，该串行数据为频率控制字，决定6脚输出的频率；（4）LATI：串行数据锁存，在下降沿将频率控制字锁入16位数据锁存器；（5）Vcc：+5电源；（6）Vout：模拟信号输出；（7）GND：公共地，输入、输出均以此点作为参考点；（8）CLK IN：时钟输入，可外接时钟或石英晶体。ML2035生成的频率较低（025kHz），一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。如用2片ML2035产生多频互控信号，并与AMS3104（多频接收芯片）或ML2031/2032（音频检波器）配合，制作通信系统中的收发电路等。可编程正弦波发生器芯片ML2035设计巧妙，具有可编程、使用方便、价格低廉等优点，应用范围广泛。很适合需要低成本、高可靠性的低频正弦波信号的场合。ML2037是新一代低频正弦波DDS单片电路，生成的最高频可达500kHz。2.2.3自行设计的基于FPGA芯片的解决方案DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模在、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。Altera是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等，因此Altera的产品获得了广泛的应用。Altera的产品有多个系列，按照推出的先后顺序依次为Classic系列、MAX（Multiple Array Matrix）系列、FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列、APEX（Advanced Logic Element Matrix）系列、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等。Max+plusII是Altera提供的一个完整的EDA开发软件，可完成从设备输入、编译、逻辑综合、器件适配、设计仿真、定时分析、器件编程的所有过程。QuartusII是Altera近几年来推出的新一代可编程逻辑器件设计环境，其功能更为强大。用Max+plusII设计DDS系统数字部分最简单的方法是采用原理图输入。相位累加器调用lmp_add_sub加减法器模拟，相位累加器的好坏将直接影响到整个系统的速度，采用流水线技术能大幅度地提升速度。波形存储器（ROM）通过调用lpm_rom元件实现，其LPM_FILE的值*.mif是一个存放波形幅值的文件。波形存储器设计主要考虑的问题是其容量的大小，利用波形幅值的奇、偶对称特性，可以节省3/4的资源，这是非常可观的。为了进一步优化速度的设计，可以选择菜单Assign/Globan Project Logic Synthesis的选项Optimize10（速度），并设定Global Project Logic Synthesis Style为FAST，经寄存器性能分析最高频率达到100MHz以上。用FPGA实现的DDS能工用在如此之高的频率主要依赖于FPGA先进的结构特点。虽然有的专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，因此不一定是我们所需要的。而利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。就可成信号质量而言，专用DDS芯片由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号；利用FPGA也能输出较高质量的信号，虽然达不到专用DDS芯片的水平，但信号精度误差在允许范围之内。DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。2.3直接数字频率合成技术直接数字合成(DDS)技术是随着集成电路技术、计算机技术和数字处理技术的迅速发展而诞生的一种频率合成方法。典型的直接数字频率合成器的构成如图3-1所示。在图3-1所示的DDS中，其核心是一个相位累加器(如虚框所示)，它由一个加法器和一个N位的相位寄存器组成。在合成器工作之初，系统将DDS输出频率值对应的相位增量值M存储在频率控制寄存器中。每来一个时钟脉冲，系统从频率控制寄存器中取出相位增量值M，并与相位寄存器中的相位值相加，相加的结果一方面存储在相位寄存器中为下一次累加做准备，另一方面与相位控制寄存器中的相位值相加后输入到正弦查询表的地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0° 360° 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，经低通滤波器滤除杂波分量后输出所需频率的正弦波。 相位寄存器每经过2N/M个外部参考时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期，频率，、分别为外部参考时钟的周期和频率。输出频率受Nyquist抽样定理的限制，最大只能达到参考时钟频率的二分之一即： 。直接数字频率合成具有一系列的优良特性：具有高精度的频率和相位分辨力，其频率精度可达到微赫兹级，相位精度可达纳赫兹级；DDS频率变化几乎没有捕获时间的限制，其频率切换速度仅受限于器件工作速率，最高可达纳秒级；另外DDS还具有相对较宽的输出频率范围，器件体积小，功耗低等特点。但由于通常的DDS结构中仅把相位累加器的某些高位部分截取出来送到正弦查询表中，从而产生了截断误差，使输出频谱的相位噪声分量增加；又由于数模转换器等电路非线性因素的影响，使输出频谱的杂散相对较多；另外，目前DDS的输出频率还不是很高。 现在流行的DDS产品以ADI公司的最多，主要有AD7008，AD9830AD9835，AD9850AD9854等十几种芯片，形成了从0150MHz的宽输出频率范围系列。此外Qualcomm公司也有Q2334、Q2368等产品。DDS技术与移频键控方式相结合，现被广泛应用在短波通信、跳频通信等无线通信系统中。图2-2 直接数字频率合成原理框图2.4 DDS技术产生信号波形的原理基于DDS技术产生信号波形的原理图如图2-1所示。图 2-3 DDS技术产生任意波形原理图 DDS技术的核心是相位累加器，它类似一个计数器。每来一个时钟信号，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增加量，相位增加量的大小由频率控制字确定。信号波形的数据表包含待产生信号一个周期的幅度-相位信息。从数据表中读出相位累加器输出相位信号值对应的幅度数据，通过DAC将该数据转换成所需的模拟信号波形输出。相位累加器的相位累加为循环迭加，这样使得输出信号的相位是连续的。相位累加器进行线性相位累加，累加至满量时产生一次计数溢出，这个溢出率即为输出信号的频率。频率控制字内的相位增加量越大，相位累加器的溢出率越高，输出信号的频率越高。 如果相位累加器的位数为N，频率控制字内的相位增量为K，参考时钟频率为，则DDS系统输出信号的频率为: 输出信号的频率分辨率为: DDS芯片的时钟由晶振提供，由于参考时钟频率固定，则输出信号中谐波频率固定，在整个频段内只需一个低通滤波器。DDS系统的工作类似于数字分频电路，输出信号的频率稳定度等于参考时钟的频率稳定度，即可以达到晶振的频率稳定度。信号波形的数据表包含以相位为地址的一个周期待产生信号数字幅度信息，每个地址对应于待产生信号中0°-360°范围内的一个相位点。数据表中的数字幅度信息受DAC分辨率的限制，一般都低于相位累加器的位数，所以取相位累加器的高位输出做数据表的地址输人。这里以相位累加器的位数N=48，数据表的地址位为12位，即信号波形的存储点数为40%点来说明。在相位增量K选不同的数值时，作为数据表地址输人的相位累加器高位输出变化不相同，相位累加器的累加结果所产生的影响也不相同。当相位增量K>236时，相位累加器每累加一次，用作数据表地址输人的相位累加器输出的高12位将发生变化，这样输出一个完整周期的波形点数就少于4096点。当相位增量K<236时，用作数据表地址输人的相位累加器输出的高12位将不发生变化，甚至是在几个连续时钟作用下相位累加器输出的高12位都将不发生变化，重复输出一个同样的波形幅度数据，这样输出一个完整周期的波形点数就大于4096点。在相同参考时钟频率下，输出一个完整周期的波形点数的变化使得信号输出周期/频率发生改变。恰当地选择相位增量K的值,就可以获得所需要的输出信号频率。第3章 芯片介绍3.1 AD9854介绍AD9854是AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高集成度的电路器件, 它内部集成了48Bit频率累加器、48Bit相位累加器、正余弦波形表、12位正交数模转换器以及调制和控制电路 ,能够在单片上完成频率调制、相位调制、幅度调制以及IQ正