直接数字频率合概述

DDS同DSP(数字信号处理)一样，也是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。DDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。

直接数字频率合成是一种新的频率合成技术和信号产生的方法，具有超高速的频率转换时间、极高的频率分辨率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时，DDS能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外，DDS技术大部分是基于数字电路技术的，具有可编程控制的突出优点。因此，这种信号产生技术得到了越来越广泛的应用，很多厂家已经生产出了DDS专用芯片，这种器件成为当今电子系统及设各中频率源的首选器件。

直接数字频率合成原理

工作过程为：

1、将存于数表中的数字波形，经数模转换器D/A，形成模拟量波形。

2、两种方法可以改变输出信号的频率：

(1)改变查表寻址的时钟CLOCK的频率，可以改变输出波形的频率。

(2)、改变寻址的步长来改变输出信号的频率.DDS即采用此法。步长即为对数字波形查表的相位增量。由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查表地址。

3、D/A输出的阶梯形波形，经低通(带通)滤波，成为质量符合需要的模拟波形。

直接数字频率合成系统的构成

直接数字频率合成主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储器、数/模转换器、低通平滑滤波器等构成。其中，参考频率源一般是一个高稳定度的晶体振荡器，其输出信号用于DDS中各部件同步工作。DDS的实质是对相位进行可控等间隔的采样。

直接数字频率合成优缺点

优点：

(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。

(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。

缺点：

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。

直接数字式频率合成器基本技术实现方案

(1)采用高性能的DDS单片电路解决方案

随着DDS技术和VLSI的发展，DDS单片化在九十年代就已经完成。由于DDS芯片性能日渐完善，促成了许多DDS芯片生产厂家出现，它们推出了许多性能优越的DDS芯片，为电路设计者提供了多种选择。其中AD公司的DDS系列产品性价比较高，目前取得了极为广泛的应用。

(2)自行设计基于可编程器件的解决方案

由于可编程逻辑器件的规模大、速度快、可编程，以及有强大的EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS系统的数字部分。在高可靠性的应用领域，如果设计合理得当，将不会存在类似MCU的复位不可靠等问题。而且由于它的高度集成，完全可以将整个系统下载到同一个芯片当中，实现所谓的片上系统，从而大大缩小产品的体积，提高了系统的可靠性。

(3)基于FPGA的DDS系统合成方案

通过FPGA控制DDS产生线性调频信号及跳频信号。基于FPGA的DDS系统技术可以产生多种调制方式以及多种组合方式，并且可以实现多个DDS芯片的功能，更加集成。

事实上，除了这三种基础合成方案外，还可考虑这三种方案的优势组合，形成新的方案。

直接数字频率合成系统实现

1、DSP及DDS芯片介绍

本次设计采用DSP控制DDS实现频率合成器。使用TI公司生产的DSP处理器TMS320VC5402和ADI公司生产的DDS芯片AD9835，下面分别对这两个芯片做简单介绍。

数字信号处理器(DSP)是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的通用CPU还快1O一50倍。在当今的数字化时代，DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被称为信息社会革命的旗手。

VC5402是TI公司1999年10月推出性价比较高的定点数字信号处理器，VC5402具有先进的改进型哈佛结构，操作速率可达100MIPS;多总线结构。VC5402的存储器的配置比较灵活，主要由模式寄存器PMST里的OVLY、DROM和MP/MC位进行配置。其中，OVLY和DROM上电复位均为0，而MP/MC决定配置DSP为微处理器/微机模式。上电后采样MP/MC引脚信号，保存在MP/MC位，可以在DSP运行中由软件配置该位。

AD9835是AD公司生产的一款CMOS工艺完备的DDS芯片，5V供电。它的最高时钟频率可达50MHZ。AD9835主要由数控振荡器(NCO)和相位调制器、正弦查询表以及一个10位数模转换器(DAC)组成。其中数控振荡器和相位调制器部分包含两个32位的频率寄存器、一个32位的相位累加器和四个12位的相位寄存器。

2、系统硬件实现

系统硬件框图如图2所示：

选用的FLASH存储器为AM29LV160D。由DSP芯片通过CPLD对FLASH进行逻辑控制。这样可以使系统的存储器配置更加灵活。由于外扩了FLASH，DSP要对FLASH进行正常读写的逻辑时序控制就由CPLD来实现，由于CPLD可在线编程，使得日后系统的逻辑的修改也非常方便，这比用传统的组合逻辑电路设计要灵活方便，只需要的是将DSP对FLASH读写时序分析清楚。在此采用的是Altera公司的EPM7064S来完成以上功能。

电源芯片采用rI’I公司生产的TPS767D318，该芯片是双电源输出，每个电源输出都有单独的复位和输出使能控制。它采用TSSOP封装，固定两路电压输出，第一路输出1.8V，第二路输出电压为3.3V。该芯片同时还提供)两路复位信号，该系统中只使用了第二路复位信号，芯片的22引脚输出低电平复位信号，复位后需为高电平，上拉为3.3V。

数字解调实验时采用的信号是已调模拟信号，模拟信号不能直接送人DSP中，要先由模数转换器(AD)转换为数字信号后，再送入DSP中进行数字解调和基带处理。模数转换器选用了AD公司的AD转换芯片AD7822。AD7822是20脚的8位模数转换芯片，最大采样率可以达到2MSPS。AD7822以并行的方式和DSP相连。数模转换(DA)模块的功能就是完成数字信号的模拟化，在进行数字调制实验时通过DA模块把DSP输出的已调数字信号转换为模拟信号，可以为解调实验提供一个已调的模拟信号，也可以通过示波器观测调制信号波形。该模块选用了AD公司的芯片AD7303。

AD7303

+2.7 V至+5.5 V、串行输入、双通道、电压输出8位DAC

产品详情

AD7303是一款双通道、8位电压输出DAC，采用+2.7 V至+5.5 V单电源供电。它内置片内精密输出缓冲，能够实现轨到轨输出摆幅。这款器件采用多功能三线式串行接口，能够以最高30 MHz的时钟速率工作，并与QSPI、SPI、MICROWIRE以及数字信号处理器接口标准兼容。串行输入寄存器为16位，其中8位用作DAC的数据位，其余8位组成一个控制寄存器。

片内控制寄存器的作用包括：确定相关DAC的地址，使整个器件或单个DAC进入省电模式，选择内部或外部基准电压，以及提供一个同步加载装置，以便利用软件LDAC功能同时更新各DAC输出。

这款器件具有低功耗特性，非常适合便携式电池供电设备。3 V时最大功耗为7.5 mW，完全省电模式下则降至3 µW以下。

AD7303提供8引脚塑料双列直插式、8引脚SOIC和microSOIC三种封装。

优势和特点

一个封装中集成两个8位DAC

8引脚DIP、SOIC和microSOIC封装

工作电压：+2.7 V至+5.5 V

可采用内部和外部基准电压

三线式串行接口，QSPI™、SPI™、Microwire™兼容

各DAC单独省电功能

片内输出缓冲以轨到轨方式工作

片内控制寄存器

低功耗工作：2.3 mA (3.3 V)

完全省电模式：1 µA(最大值)，80 nA(典型值)

AD7822

3 V/5 V、2 MSPS、8位、1/4/8通道采样ADC

产品详情

AD7822/AD7825/AD7829均为高速、1/4/8通道、微处理器兼容型、8位模数转换器(ADC)，最大吞吐量为2 MSPS。三款器件都内置一个2.5 V(2%容差)片内基准电压源、一个采样保持放大器、一个420 ns的8位半快速型(half-flash)ADC和一个高速并行接口，可采用3 V ±10%和5 V ±10%单电源供电。

AD7822/AD7825/AD7829将转换启动与关断功能结合在一个引脚上，即CONVST引脚，这样便可实现在一次转换结束时自动关断的独特省电模式。当转换结束，即EOC(转换结束)信号变为高电平后，会对CONVST引脚上的逻辑电平进行采样。如果它在该点为逻辑低电平，则ADC关断。AD7822和AD7825还具有单独的关断引脚(参见“工作模式”部分)。

利用该并行接口，可方便地与微处理器和DSP进行接口。这些器件仅使用地址解码逻辑，因此很容易实现到微处理器地址空间的映射。利用EOC脉冲，这些ADC可以分别独立工作(参见“并行接口”部分)。

AD7822和AD7825均提供三种封装：20引脚和24引脚、0.3英寸宽、塑料双列直插式封装(PDIP);20引脚和24引脚标准小形集成封装(SOIC);以及20引脚和24引脚超薄紧缩小型封装(TSSOP)。AD7829也提供三种封装：28引脚、0.6英寸宽PDIP;28引脚SOIC;以及28引脚TSSOP。

产品聚焦

快速转换时间。AD7822/AD7825/AD7829的转换时间为420 ns，更快的转换时间使实时系统中的DSP处理效率最高。

模拟输入范围调节。用户可利用VMID引脚使输入范围偏移，此特性可降低单电源运算放大器的要求，并考虑系统失调。

全功率带宽(FPBW)采样保持。采样保持放大器具有出色的高频性能。AD7822/AD7825/AD7829能够转换频率最高达10 MHz的满量程输入信号，因此，这些器件非常适合子采样应用。

通道选择。无需对器件执行写入操作便可进行通道选择。

应用

数据采集系统、DSP前端

磁盘驱动器

移动通信系统、子采样应用

优势和特点

8位半快速型(half-flash)ADC，转换时间为420 ns

1/4/8单端模拟输入通道，并提供输入偏移调节

片内采样保持

提供最高10 MHz输入频率时的信噪比性能

转换结束时自动关断

片内基准电压源(2.5 V)

工作电压范围较宽：

3 V ± 10%和5 V ± 10%

输入范围：

0 V至2 V p-p，VDD = 3 V ± 10%

0 V至2.5 V p-p，VDD = 5 V ±10%

灵活的并行接口，利用EOC脉冲可独立工作