【技术专辑】您需要了解的有关直接数字式频率合成器的一切

介绍

 

直接数字式频率合成器(DDS)是一种使用数字技术生成模拟信号(如正弦波或三角波)的技术。模拟信号由存储在存储器中的值合成。包含所有波形相位的信号幅度值的“模板”存储在存储器中并用于重建信号。使用DDS,可以直接从模板合成信号,而无需其他间接方法所需的锁相环。通过改变相位值的处理速率产生不同的频率,并且使用添加,乘法和缩放信号的技术,可以生成各种波形。合成信号是可重复的,频率是精确的。诸如扩频跳频之类的通信技术使用DDS来快速改变频率。

 

优点

 

要了解DDS的好处,请考虑无线电接收器的情况。如果在尝试调谐到特定电台时使用模拟调谐收音机,则可以调整提供的旋钮,拇指轮和滑块。你可能只打了一次电台...但是在另一个时间调整它可能需要一段时间。只是因为你调过一次,并不意味着没有漂移,迫使你重新调整。当您有数字调谐器时,您可以进入所需的电台并将电子设备锁定。

 

以同样的方式,使用模拟组件生成信号意味着调整和时间以使频率正确,而不保证输出将是一致的。带有调理电路的DDS允许快速,一致和重复地设置特定频率。

 

DDS在测试中产生了很大的影响。在DDS频率发生器之前,试图产生准确的频率响应图是一项令人沮丧的努力。在测试极窄带,高阶,高Q滤波器时,在评估温度范围内的滤波器性能时,模拟发生器无法提供的分辨率需要准确且可重复的频率。一些射频(RF)调制技术依赖于仅DDS可能产生的精确频率。在扫描无线电频率以进行信号和功率测量时,DDS可以快速进行RF扫描。

 

DDS的好处是:

 

*能够以精确和稳定的方式产生任意频率,仅受用于为相位累加器提供时钟的振荡器的限制。晶体振荡器,根据其规格,可以提供百万分之50至0.1亿分之一的容差,使DDS非常准确。除非使用高端设备,否则模拟信号发生器只能提供十分之几个百分点的精度和稳定性。

 

* DDS提供的频率是可重复的。用对应于频率F1的值加载调谐字寄存器产生频率为F1的信号。如果调谐寄存器随后加载了频率F2的值,则输出信号快速变为频率F2。当调整寄存器重新加载F1的值时,提供与之前生成的相同的频率F1。模拟发生器无法保证这种精度。

 

*使用DDS中使用的数字技术可以实现高频分辨率。增加分辨率就像向相位累加器和调谐寄存器的最低端添加更多位一样简单。模拟波形发生器依赖于诸如电位计和可变电容器之类的机械元件来调谐振荡器,它们可以提供的分辨率受到限制。

 

这种快速改变输出频率的能力在诸如扩频跳频之类的通信技术中也是必不可少的,其中通过在许多频率信道之间快速切换载波来发送无线电信号。能够再现精确频率并快速传递频率变化构成了调制技术的基础。

 

合成信号

 

代表性DDS系统的框图如图1所示。

 

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图1

 

DDS电路包括相位累加器,相位幅度表(通常在ROM中的查找表 - “模板”)和数模转换器(DAC)。相位累加器将参考频率和调谐字寄存器中的值组合在一起。DAC的输出通常应用于滤波器,以平滑波形并消除任何无关的输出。

 

生成信号的步骤是:

 

1.参考信号和调谐寄存器更新相位累加器,提供相位值

 

2.从相位 - 幅度表

 

3中检索该相位的相应幅度.DAC将检索到的幅度值转换为模拟输出

 

4。通过平滑滤波器发送

 

数字电路在更改频率时以最小的延迟快速完成此操作。

 

注意:DDS技术已知有一段时间了,但可提供的频率受DAC和滤波器(通常是带有电容和电感的低通滤波器)的精度限制。随着集成芯片技术和制造的进步,DDS可以提供对各种应用有用的频率,并且可用于单芯片器件。工具可用于轻松编程DDS器件,它们可以集成到现场可编程门阵列(FPGA)中。两种流行的芯片是ADI公司的AD9833或AD9850。

 

在DDS上下文中使用,术语参考频率的使用方式与其他工程应用中的使用方式不同。参考频率是一个时钟,它控制相位累加器的更新速率,然后控制执行查找的速率。通常由为相位累加器提供时钟的晶体振荡器提供,一些设计人员使用系统时钟作为参考。参考频率影响生成的信号; 输出是成比例的。将参考频率加倍会使输出频率加倍(保持相位累加器,表值和调谐字相同。)

 

调谐字用于在操作期间改变输出频率。调谐字是调谐寄存器中保存的二进制值。每次更新时,调谐字的值都会加到相位累加器中。例如,如果调谐字设置为1,则每个时钟间隔将相位累加器增加1.将调谐字设置为2,每个时钟周期将相位累加器增加2。

 

由于相位累加器为相位 - 幅度查找提供相位值,因此调谐字控制从相位 - 幅度表中检索的值的周期数。使用1的调整字,可以检索表中的每个值。调谐字2读取每隔一个值,并且还使累加器以两倍的速度计时到零,结果输出频率加倍。

 

作为示例,考虑设计具有360个条目的相位 - 振幅表的DDS,保持360度正弦波中的每一个的振幅(电压)值。累加器在360个时钟周期后复位。参考频率将从系统时钟中拉出,因此所有内容都以相同的速率进行计时和更新。调谐字为1时,相位累加器对每个时钟递增1,并按顺序检索表值。每360个参考时钟,累加器复位,另一个波形被创建。将调谐字设置为2具有从相位 - 幅度表中读取每隔一个值的结果; 累加器的时钟速度提高两倍,输出频率加倍。当然,仅使用360个值会产生不连贯的输出,并且抖动会使其无法使用。

 

模板值在DDS系统中很重要。就像数字录制和播放一样,播放质量取决于录制媒体和播放电路的保真度。不管播放设备多么棒,它都无法弥补可怕的录音。同样,DDS中使用的波形模板必须已经数字化(采样和记录)到捕获良好信号而没有失真。

 

通过使用采样和量化技术对信号进行数字化来构建模板,并将其编码为特定格式。数字化和采样信号以便能够重建它们的背景在于通信理论以及准确地重建信号需要多少信息。随着通信进展到试图以数字化格式发送信号然后在接收器端重新创建模拟信号,这成为一个问题。哈里奈奎斯特在贝尔实验室工作,发现对于带限信号(如语音),采样率必须是用于精确重建信号的最高频率的两倍。采样频率太低,数据点可能属于不同频率的任意数量的信号。以太高的频率进行采样会产生更多的数据,占用资源但却没有产生更好的结果。该频率被称为奈奎斯特频率,并且是必须采样原始信号以捕获足够的数据点以重建特定信号的最小频率。

 

角度和波形

 

虽然DDS可用于提供任何周期性波形,如正弦波,余弦波,斜波和脉冲,但我们将研究如何从存储在存储器中的电压值合成正弦波。为什么一个波形模板可以产生不同频率的信号?

 

图2a显示了一个基本的三角相图,其中正弦波显示为来自表示波形相位的圆的投影。正弦波的最大电压幅度是圆的半径。对于此讨论,为简单起见,我们将最大电压设为1。随着相位角θ逆时针前进,存在相应的电压值。一个完整的旋转是2 * Pi弧度。无论周围多少次,相同的电压对应于特定角度θ。产生的正弦波的频率取决于通过2 * Pi的旋转完成的速度(角速度ω)。

 

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图2a。相图

 

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图2b。阶段细节

 

图2b显示了每个相位如何对特定电压进行采样。通过所使用的采样技术为波形提供的点越多,波形的定义就越多。相位 - 幅度表保持每个波形的相位/电压点,并用作相电压转换器。

 

频率与角速度有关,公式如下:

 

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频率是周期(T)的倒数,但是通过使用相位而不是基于时间的测量来捕获电压值,可以利用波形的重复性质。角速度越高(图2a中所示的角度θ的旋转越快),频率越高。如图3所示,即使波形的频率发生变化,电压幅度也是相同的。

 

波1以2 * Pi弧度经过一个完整的周期T. 波2的周期等于T / 4的周期,产生的频率是波1的四倍,但波形的幅度值是相同的。为了提供不同的频率,在给定的时间周期内输出来自相位 - 幅度表的值。可以根据相位振幅表中的值在给定时间帧内循环通过的次数来生成任何频率。

 

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图3.不同的频率,相同的值

 

在DDS环境中,调谐寄存器和累加器用于“模拟”波形的相位旋转。当累加器计数并重置时,会产生另一个循环。将调谐字设置为更高的值可以更快地通过表格提供更高的输出频率。通过改变调谐字,可以快速改变相位增量,从而可以快速改变频率,因为DDS不需要建立时间。

 

问题

 

如上所述,相位 - 幅度表是DDS的重要部分。如果以对于期望频率来说太低的速率对原始波形进行采样,则可以在输出中看到混叠失真,并且在期望频率或时钟频率附近看到附加频率分量。采样率应等于或高于奈奎斯特频率。如果无法提高采样频率,则可能需要额外的滤波来消除过多的输出。

 

如果累加器的精度太低,则可能在输出中看到抖动,这是从波形上的一个点跳到另一个点不够平滑的结果。使用尽可能高的累加器精度,调谐寄存器和相位幅度表有助于最大限度地减少抖动,过滤和数字处理技术用于剩余信号定义。

 

概要

 

DDS提供了一种使用数字技术从存储在存储器中的值生成模拟信号的方法。通过改变调谐寄存器值,可以快速改变频率而无需花费时间,使其成为测试,通信和频率扫描应用的理想选择。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计