（微电子学与固体电子学专业论文）基于ad7008的dds方波信号发生器研究.pdf

摘要 摘要 直接数字频率合成( d d s ，d i r e c td i 百m lf r e q u e n c ys ) ，n t h e s i s ) 是一种新的频率合 成方法，是频率合成技术的一次革命，d d s 频率转换速度快，频率分辨率高，具 有低相位噪声和低漂移，可以在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号j 还可以 产生一般频率合成器难以产生的波形，易于微处理控制，体积小，功耗低。随着 数字集成电路和微电子技术的发展，直接数字频率合成技术日益显露出它的优越 性。 信号发生电路是整个系统的信号源，它的信号频率是否稳定将对整个系统的 工作起十分关键的作用，信号频率不稳定会给信号的后续处理带来极大的困难。 为了解决上述问题，本文应用d d s 技术设计了一个高稳定性信号发生器，借此对 直接数字频率合成技术进行了深入的研究。 本文首先论述了频率合成技术的发展，比较了各种频率合成技术的特点，并 重点介绍了直接数字频率合成技术的现状和发展趋势。然后详细介绍了d d s 的工 作原理，基本结构，性能分析。然后介绍了d d s 在理想情况和非理想情况下的输出 频谱特性以及脉冲输出型d d s 。接着根据本文设计工作的具体情况选择了 a d 7 0 0 8 ，并详细描述了a d 7 0 0 8 的原理和结构分析。最后设计了以d d s 芯片 a d 7 0 0 8 为核心的信号发生器，给出了信号发生器软硬件电路的设计和具体实现， 实现了高稳定方波信号源的设计，解决了以往方波信号源稳定性差的问题。实验 结果表明，本文设计的基于d d s 技术的信号发生器能够满足实际应用需要。 关键词：直接数字频率合成频谱分析a d 7 0 0 8 信号发生器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s r d d s ) i sak i n do f n e wf r e q u e n c ys y n t h e s i s m e t h o da n da l s oar e v o l u t i o ni nt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e s d d s sf r e q u e n c y c o n v e r s i o nr a t ei sq u i c ka n df r e q u e n c yr e s o l u t i o ni sh i g h , i th a sl o wp h a s en o i s ea n dl o w d r i f t i n g ，i tc a l lo u t p u tt h es m o o t hs i g n a li nt h ee x t r e m e l yw i d ef r e q u e n c yb a n ds c o p e ，i t c a np r o d u c et h ew a v ew h i c ht h eg e n e r a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rc a n l l tp r o d u e c ee a s i l y , i t c a na l s ob ec o n t r o l l e db ym i c r op r o c e s s i n g i t sv o l u m ei ss m a l la n di t sp o w e rl o s si s l o w w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i t sa n dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e s ， d d se x h i b i t si t sa d v a n t a g e sd a yb yd a y t h es i g n a lp r o d u c ec i r c u i ti st h eo v e r a l ls y s t e m so s c i l l a t o r , i t ss i g n a lf r e q u e n c y s s t a b l ei sv e r ye s s e n t i a lt ot h eo v e r a l ls y s t e m sw o r k ，t h es i g n a lf r e q u e n c y su n s t a b l ec a n b r i n gt h ee n o r m o u sd i f f i c u l t yt os i g n a l sf o l l o w i n gp r o c e s s i n g h lo r d e rt os o l v et h e a b o v ep r o b l e m ，t h et h e s i sa p p l yt h ed d st e c h n i c a lt od e s i g nah i g hs t a b es i g n a l g e n e r a t i n gd e v i c e ，t h i s t h e s i sa c c o m p l i s h e sa n i n d e p t hs t u d yo ft h ed i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e f i r s t l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e sa n d c o m p a r e st h ef e a t u r e so fv a r i o u sf r e q u e n c ys y n t h e s i sm e t h o d s t h em a i na c h i e v e m e n t s i nt h ed d sf i e l da r ee s p e c i a l l yr e v i e w e d s e c o n d l y , t h et h e s i sd e s c r i b e ss e v e r a la s p e c t s o fd d si nd e t a i l i tc o n c e r n e d ：b a s i ct h e o r y , a r c h i t e c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h i r d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e dt h eo u t p u tf r e q u e n c ys p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i co fd d sa n d t h ep u l s eo u t p u to fd d s f o u r t h l y , a c c o r d i n gt ot h et h e s i s ss p e c i a ld e t a i l s ，w ec h o o s e a d 7 0 0 8a n dd e s c r i b e st h et h e o r ya n da r c h i t e c t u r eo f a d 7 0 0 8 f i n a l l y , t h et h e s i so f f e r s ad e s i g no fs i g n a lg e n e r a t i n gd e v i c eb a s e do na d 7 0 0 8d d s c h i p h a r d w a r es c h e m a t i c d i a g r a ma n dp r o g r a mf l o wc h a r t a r eo f f e r e dt o o i th a sr e a l i z e dt h eh i 曲s t a b l e s q u a r e - w a v eo s c i l l a t o r sd e s i g na n ds o l v e dt h ep r o b l e mb e f o r e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st h a tt h es i g n a lg e n e r a t i n gd e v i c eb a s e do nd d st e c h n i q u ei nt h i st h e s i sc a n s a t i s f yt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i ss p e c t r u ma n a l y s i s a d 7 0 0 8 s i g n a lg e n e r a t i n gd e v i c e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在论文中做了明确地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，一本人承担一切相关责任。 本人签名鱼终日期 7 _ 0 0 6 j 7 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 日期 日期 加0 6 f 2 0 压口口易，1 ，盘 脚 一 本 刷 第一章绪论 第一章绪论 1 1 频率合成的基本概念 频率合成是指由一个或者多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频 率域的线性计算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程【l 】。基于此 原理制成的频率源为频率合成器。 频率合成器是现代电子系统的重要组成部分： 在通信，雷达和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号源，又 是接受机的本地震荡器； 在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器； 在测试设备中，可以作为标准信号源。 因此频率合成器被人们成为许多电子系统的“心脏”。频率合成器的性能需要 一系列指标来表征，但由于不同用途的合成器性能差异较大，故难以给出完整的 指标系列。这里只是给出一些基本的技术指标1 2 j 伪。 ( 1 ) 频率范围：频率合成器输出最低频率f o m i n 和输出最高频率f o m a x 之间的 变化范围。也常用相对带宽f 来衡量频率范围。 。r ：! ! 五一二五盖。1 0 0 ，。m 。+ i 。 ( 2 ) 频率分辨率：频率合成器输出的两相邻频率点之间的间隔。不同用途的频 率合成器对频率分辨器的要求相差很大。 ( 3 ) 频率切换时间：从发出频率切换的指令开始，到频率切换完成，并进入允 许的相位误差范围所需要的时间。它与频率合成的方式密切相关。 ( 4 ) 谐波抑制和杂散抑制：谐波抑制是指载波整数倍频率处，单根谱线的功率 与载波功率之比；而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功 率之比，它们表征了频率源输出谱的纯度 4 1 。频率源中的谐波与杂散主要由频率 源中的非线性元件产生，也有频率源内外干扰的影响，还与频率合成的方式有关。 ( 5 ) 频率稳定度：指在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离标定值的 数值。它分长期，短期和瞬间稳定度三种。 ( 6 ) 调制性能：指频率合成器的输出是否具有调幅( a m ) ，调频( f m ) 和调相 ( p m ) 等功能。 2 基于a d 7 0 0 8 的d d s 方波信号发生器研究 1 2 频率合成技术的发展 频率合成技术起源与2 0 世纪3 0 年代，至今以有7 0 多年的历史。频率合成方 法大致可以分为直接合成法和间接合成法 5 1 。早期的频率合成方法是直接频率合成 f d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 。直接频率合成是利用混频，倍频和分频的方法由参考 源频率经加，减。乘，除运算直接组合出所需要的频率的频率合成方法。它的优 点是频率捷变速度快，相位噪声低，但直接频率合成器杂散多，体积大，结构复 杂，成本及功耗大，故该方案已经基本被淘汰。 在直接频率合成后出现了间接频率合成( i n d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 。间接频率 合成包括模拟间接频率合成( 注入模相，模拟环路锁相，取样锁相) ，锁相环频率合 成，数字锁相频率合成。这种方法主要是将相位反馈理论和锁相技术运用于频率 合成领域，它的主要代表是锁相环p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 频率合成【2 】【6 】，被称为 第二代频率合成技术。现在最常用的技术是数模混合的锁相环，即数字鉴相器， 分频器，模拟环路滤波和压控震荡器的组合方式。如图1 1 所表示【l j ： 图1 1 直接锁相环频率合成器原理图 当环路锁定后，可变分频器的输出频率f h = 仃( 疔是参考分频器频率) ，而f n - - f o n ( f o 是输出频率1 ，所以f o = n f r , 由此可以看出，通过频率选择开关改变分频比n ，v c o 的输出频率将控制在不同的频道上，因此想要得到多的频率且频率间隔小，只有 减小丘增大n 。它的优点是因为f r 小，即鉴相频率低，锁定时的频率变化小，所 以具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制干扰能力，大量节省了滤波器。但是缺点 是正因为f r 小，输出频率范围小，要扩大输出频率范围，必须增大f r 和n ，频率 间隔就会变大，频率转换速度慢，频率分辨率低。 现在锁相环频率合成器仍以其相位噪声低，杂散抑制好，输出频率高，价格 便宜等优点在频率合成领域里占有重要地位。目前以有许多性能优良的单片p l l 频率合成器面世，典型的有m o t o r o l a 公司的m c l 4 5 1 9 1 ，q u a l c o m m 公司的q 3 2 3 6 ， n m i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的l m x 2 3 2 5 ，l m x 2 3 2 6 ，l m x 2 3 3 0 。这极大的推动了p l l 频率合成方式的应用。 随着数字信号理论和超大规模集成电路v l s i 的发展，在频率合成领域诞生了 第一章绪论 一种革命性的技术，那就是七十年代出现的直接数字频率合成d d s ( d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i s ) ，它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。1 9 7 1 年3 月， j t i e m e y 和c m t a d e r 等人首先提出了d d s 的概念：利用数字方式累加相位，再 以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列，最后经 d a 转换得到模拟正弦波输出【7 】【引。d d s 由于具有极高的频率分辨率，极快的变 频速度，变频时相位连续，相位噪声较低，易于功能扩展和全数字化便于集成等 优点，因此在短短的2 0 多年里得到了飞速的发展和应用一儿。 通过回顾频率合成技术的发展，讦以总结出各自的性能特点。 直接式频率合成的输出信号有相干和非相干两种，可达微秒，亚微秒级的频 率切换速度是直接式频率合成技术的主要特色，相噪低也是它的优点。但直接式 频率合成器电路结构复杂，体积大，成本较高，研制调试一般比较困难。由于采 用了大量的混频，滤波电路，直接式频踪很难抑制因非线性而引入的杂波干扰， 因而难以达到较高的杂波抑制度。 p l l 频率合成利用了相位反馈控制原理来稳频，在频率切换速度要求不高， 但对相噪，杂散有较高要求时，p l l 频率合成有特殊的优势。p l l 式频踪输出的 频率分辨率越高时，其频率切换速度就越慢。如果要提高切换速度，就必须牺牲 分辨率，这是p l l 的工作机理所致，无法通过性能优化来解决。所以在选择锁相 式频率合成时除了考虑频谱纯度外，还要考查其他性能是否符合要求。 d d s 的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力，但也正是全数字结构使 d d s 具有两点不足，输出带宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的 限制，特别是数模转换器d a c 的限制，使得d d s 的工作的时钟频率较低，输出 带宽窄，很难直接应用于微波频段。杂散是d d s 本身所固有的缺点，且随着输出 带宽的扩展，杂散将越来越明显的成为抑制d d s 发展的重要因素。 随着电子技术的发展，各类电子系统对信号源的要求越来越高，需要同时满 足低相噪，快捷变频，高频率分辨率，带宽，小体积，低功耗等指标。由上面的 分析可知，虽然这三种频率合成方式都可以在某些指标上获得理想的效果，但没 有一种方式可以满足所有的技术要求。 实际上，由于三种方式各有优劣，完全可以利用优势互补，所以产生了混合 式频率合成技术( h y b r i df r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 。其中d d s 与p l l 相结合的频率合成 混合应用最为广泛，基本原理即用d d s 的输出作为p l l 的参考输入，来解决频率 分辨率和相噪的矛盾p j 。 4 基于a d 7 0 0 8 的d d s 方波信号发生器研究 1 3 直接频率合成技术的现状 d d s 有如下优点川：( i ) 频率分辨率高，输出频点多，可达2 1 个频点( a 为相 位累加器为数) ：( 2 ) 频率切换速度快，可大n s 量级；( 3 ) 频率切换时相位连续； ( 4 ) 可以输出带宽正交信号；( 5 ) 输出相位噪声低；( 6 ) 可以产生任意波形；( 7 ) 全 数字接口，输出信号频率。相位，波形，幅度的改变均可以由计算机远程控制。 因此八十年代以来，各国都在研制和发展自己的d d s 产品，如美国q u a l c o 删 公司的q 2 3 3 4 ，s t a n f o r d 公司的s t r l 一1 1 8 0 ，a d 公司的a d 9 8 5 4 ，美国f l u k e 公司 的f - 6 0 6 0 b 等。 随着通信，电子，微电子技术的快速发展，对各种高性能的测试仪器和信号 发生器的要求越来越多，我国数字信号发生器发展也较快，并广泛应用在通信， 雷达，无线电导航，影视音响等电测仪器领域。如北京科奇公司的k h l 4 6 0 输出频 率5 k h z 一5 0 k h z ，最小分辨率答0 i h z ，南京新联电子的e e l 4 1 i c 输出频率为 i o m h z 1 5 m z ，上海爱仪的a s l 0 5 1 s 频率输出范围0 i m h z 一1 5 0 m h z ，具有信号失真 小，输出稳幅，轻巧美观的特点。国内还有许多厂家生产数字频率合成器，但与 国外的同类型产品相比，技术指标上还有很大的差距。国外的数字频率合成技术 已经达到了十分先进的水平，许多著名电子公司已经研制出品质优越的数字信号 合成器。表1 1 给出了近几年来国内外仪器厂家推出的部分数字信号合成器的性 能比较，以此来比较一下国内外的技术差距。 表i i 国内外直接数字频率合成器( d d s ) 性能比较 生产厂商型号频率范围频率分辨率价格杂散抑制 ( 元)( d b c ) 谐波非谐 波 a g i l e n t 3 3 2 5 0 al u h z 一8 m h z9 位1 u h z 5 4 ，2 0 0 一6 0 一5 0 f l u k e 3 0 l 1 5 0 删z1 0 2 。8 0 0 - 6 0( 一5 0 a g i l e n t 8 1 1 0 1 a i m h z 一5 0 删z1 2 位，0 0 1 7 8 ，1 3 0 - 6 0 4 - 5 0 北京科奇 k h l 4 6 0 c 5 k h z 一5 0 m h z7 位。i o h z8 8 0 0 ( 一3 0 - 5 0 上海无仪w y l 0 5 3l h z 一5 0 删z 5 位。5 0 p p m 5 5 0 0 - 4 0( 一5 0 南京新联 e e l 4 6 i b 1 0 0 k h z 一1 1 0 删z9 位，i h z7 5 0 0 - 3 0( 一5 0 但是d d s 的全数字结构也给它带来了两个缺点：( 1 ) 输出杂散较大( 2 ) 输出带宽 受到限制。 由于d d s 采用全数字化结构，不可避免的引入了杂散。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d a c 非理想特性造成的杂散。为了克服d o s 输出杂散大的特点，国内外 学者对d d s 输出频谱特性进行了大量研究，在分析频谱特性的基础上，提出了一 些降低杂散功率的方法，主要有以下三种】： 第一章绪论 优化设计波形r o m 和相位累加器； 用随机抖动法提高无杂散动态范围； 使用过采样的方式降低带内误差功率： 为了提高d d s 输出信号的频率，一方面一些半导体公司利用目前最先进的半 导体技术不断提高d d s 芯片本身的工作频率，另一方面很多研究者和企业将d d s 技术和其他方法组合起来以扩展输出信号频率，例如d d s + p l l 组合式频率合成器 就是一种扩展d d s 信号频率的有效方法，它兼顾了d d s 和p l l 两者的优点。 d d s 是一项充满生命力的技术，其发展速度和应用范围之广是惊人的，从七十 年代到今天，世界发达国家从未间断过对d d s 技术及其应用的研究，一批批成功 的d d s 芯片和d d s 应用产品正在逐步获得国际市场的青睐，我国对d d s 的研究刚 刚起步，存在大量的艰巨工作要做，如精确分析d d s 的杂散频谱特性，研究d d s 杂散功率降低方法以及扩展d d s 的输出带宽，以发挥其频率分辨率高，频率转换 快，相位噪声低和全数字化等优点，使d d s 在通信和仪器仪表等电子系统中发挥 着重大作用。 1 4 本论文的意义及主要工作内容 在通信、雷达、宇航和遥感遥测技术的飞速发展的今天，对信号源的频率稳 定度、频谱纯度、频率范围和输出信号的频率微调分辨率提出越来越高的要求， 单一的频率源己不再能满足现代通信的高标准要求。国内外纷纷采用新的频率合 成技术一直接数字频率合成。从学术价值来看，直接数字式频率合成技术发展到 现在，合成信号频率的精确度和频谱的纯度仍然是其今后发展的主要方向。而这 方面性能指标的提高，可以从两个方面进行，一是提出更加先进的设计思想和设 计理论，发展更加先进的生产工艺，由芯片厂家开发、生产出性能更完善的d d s 芯片，二是对于已有成品的d d s 芯片，设计完善的工作软件和抗干扰、抑制杂散 的外围电路。由于导师所在的学术小组长期从事频率测量和频率控制方面的研究 工作，曾发明并成功研制了一种新的基于同序比相方法的高精度智能频率计，可 以对合成信号的频率进行高精度检测。综合考虑了所拥有的研究基础和研究条件 后，本文选择利用已有的d d s 芯片设计高性能的直接数字式频率合成器作为研究 的主要内容，最终研发出一种以简单、廉价器件构筑，并能够得到高精度、高纯 度的合成频率信号的实用频率合成器。目前美国h p 和a g i l e n t 公司生产的频率 综合器被广泛应用于国内的各相关领域，但它们价格昂贵，操作复杂。如果通过 本论文的工作，能够在某些工作领域用本文研究的仪器取代它们，将具有重要的 实际意义。 6 基于a d 7 0 0 8 的d d s 方波信号发生器研究 因此，本文的主要任务是研究d d s 及a d 7 0 0 8 ，以及用a d 7 0 0 8 等芯片构成 的正交方波电路来达到掌握d d s 相关内容的目的。 论文共分6 章，按照如下结构组织： 第l 章为绪论，介绍了频率合成的概念，对其发展历史做了回顾，并比较了 国内外直接数字频率合成技术的现状。 第2 章为d d s 的原理及性能分析。先阐述了d d s 的工作原理和性能分析， 然后对影响d d s 输出频谱的因素和噪声来源进行了详细的分析。 第3 章为a d 7 0 0 8 的原理及结构分析。对a d 7 0 0 8 进行了详细的描述，了解了 a d 7 0 0 8 的内部工作及应用情况。 第4 章为用d d s 调制a d 7 0 0 8 实现正交方波信号发生器的硬件电路设计。分 别针对构成正交方波信号发生器的各个部分做了详细说明以及其实现情况。 第5 章为用d d s 调制a d 7 0 0 8 实现正交方波信号发生器的软件设计。先给出 了软件设计的具体流程图，然后分别给出了各个芯片的程序片段。 第6 章为测试部分。对本文中所应用的电路了进行了测试，输出了方波信号。 第二章d d s 原理及性能分析 第二章d d s 原理及性能分析 2 1d d s 的基本工作原理 d d s 是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率，相位和幅度均可 由数字信号精确控制，因此d d s 可以通过预置相位累加器的初始值来精确的控制 合成信号的相位，从而达到调制的目的。 d d s 的理论依据是时域抽样定理，即一个频带限制在( 0 ，f c 2 ) h z 范围内的时间 信号f ( t ) ，如果以t c = i f c 秒的间隔对它进行等间隔抽样，则信号将被所得到的 抽样值完全地确定，即该信号f ( t ) 可以由其采样值完全恢复。d d s 正是基于此原 理，将一个阶梯化的信号( 采样信号) 通过一个理想的低通滤波器以得到原始的连 续信号“”。下图2 1 为d d s 基本原理框图。 输出 o l l t 图2 1 肋s 基本原理框图 从上图可知，d d s 主要由五个部分组成：相位累加器，正弦查询表，数模转换 器( d a c ) ，低通滤波器和参考时钟“”。下面分别予以介绍： ( 1 ) 相位累加器 相位累加器是d d s 的最基本的组成部分，由一个n b i t 的累加器构成，用于实 现相位的累加并存储其累加结果，相当于标尺的作用，它把0 2 兀的连续相位转换 成n b i t 的数字相位，在时钟脉冲的作用下，输入到频率寄存器的控制字在相位累 加器中变成输出信号的数字相位信息“”。输出信号的频率即为： k 厶2 歹丘 ( 2 1 1 ) 式中k 是输入到频率寄存器的控制字，f c 是系统时钟，f o u r 是固定不变的， 通过改变k 可以很方便得得到不同频率的正弦波。其频率分辨率f 为： ， 6 2 爹 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 正弦查询表 正弦查询表的作用是把相位信息转变成幅度值，这是通过查表r o m 来实现的， 它把相位累加器的数字相位信息作为正弦r o m 表中的地址“。 ( 3 ) 数模转换器 基于a d 7 0 0 8 的d d s 方波信号发生器研究 数模转换器将数字信号变成模拟信号，但受时钟频率的限制，载频一般在几十 兆赫兹的数量级，可通过专业的上变频芯片将已调中频搬移到需要的射频频段上 ( 4 ) 低通滤波器 ? 低通滤波器的作用是滤除d a 变换后的正弦波中的高频分量，平滑得到正弦 波。 ( 5 ) 参考时钟 参考时钟是一个高稳定的晶体震荡器，其输出信号用于提供d d s 中各个部件同 步工作。 d d s 的工作原理：d d s 工作时，通过改变相位累加器的频率控制字f c w 来改变 相位增量，相位增量的不同，将导致一周内的取样点数不同。取样是在系统时钟 控制下进行的，即取样周期是一定的，根据相位增量的不同，从r o m 中读取的信 号周期就不同。r o m 输出的二进制数送到d a c 进行d a 变换，得到模拟形式量化( 阶 梯式) 的正弦波，最后经过低通滤波器( l p f ) 滤除高频分量，平滑后得到正弦波， 输出正弦波的频率为： 丘= 知 ( 2 1 3 ) 2 2 1d d s 的优缺点分析 2 2d d s 的性能分析 d d s 在相对带宽，频率转换时间，相位连续性，正交输出，高分辨率以及集 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。其优势主要体现在下面几个方面： ( 1 ) 极快的频率切换速度 d d s 是一个开环系统，无任何反馈回路，频率转抉时间主要由l p f 附加的时 延来决定，目前d d s 的调谐时间一般在n s 级，比使用其他的频率合成方法都要短 数个数量级。 ( 2 ) 极高的频率分辨率 f l 自& f = f o m i n = f c 2 n 可知，只要增加相位累加器的位数n 即可获得任意小的频 率调谐步进。大多数d d s 的分辨率在h z ，m h z 的数量级。 第二章d d s 原理及性能分析 9 ( 3 ) 低相位噪声和低漂移 d d s 系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度来决定，合成 信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数d d s 系统应用中，一般由 固定的晶振来产生基准频率，所以其相位噪声和基准频率是极为优异的。 ( 4 ) 连续的相位变化 d d s 是一个开环系统，故当一个转换频率的指令加在d d s 的数据输入端时， 它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何电流脉冲，输出变 化是一个平稳的过渡过程，而且相位是连续变化的，这个特点也是d d s 独有的。 ( 5 ) 在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号 d d s 的最低输出频率是所用的时钟频率的最小分辨率或相位累加器的分辨 率。奈奎斯特采样定理保证了直到该时钟频率一半的所有频率下，d a c 都可以再 现信号，即d d s 频率上限f o m a x 由合成器的最大时钟频率f c 决定( f o m a x - - f c 2 ) 。 ( 6 ) 输出任意波形的能力 只要将正弦查询表r o m 中存储的正弦波的幅度值改变为所需波形的幅度值， 并且满足奈奎斯特定理，即可得到所需的输出波形。 ( 7 ) 可进行数字调制 d d s 是相位控制系统，使频率合成与调制有机的结合在一起。可在一个调制 系统中灵活多变的实现多种调制功能，改变了一种调制制式对应一套硬件电路的 常规模式，由偏重硬件转变为偏重于软件的控制，将多种调制制式相统一。 ( 8 ) 易于集成，易于调整 d d s 中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除d a c 和滤波器外，无需 任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备【l q 。 d d s 的缺点主要有两点： ( 1 ) 输出频带受限 d d s 的输出频带带宽主要受d d s 工作时钟频率的限制，因为d d s 的最高输 出频率一般限制在o 4 f c 以下，如a d 9 8 5 4 ，时钟频率为3 0 0 m h z ，输出带宽为d s 1 2 0 m h z ，这对于飞速发展的通讯技术是远远不够的。目前采用g a a s 技术产生 出来的d d s 芯片，其输出频率可达3 0 0 m h z - - 4 0 0 m h z ，但它的价格昂贵，难以大 量使用。不过，随着告诉e c l 和g a a s 技术的发展，频带带宽的限制正在逐步被 克服。 ( 2 ) 杂散分量丰富 杂散是d d s 本身所固有的，主要由相位舍位，幅度量化和d a c 的非理想特 性所引起。因为在d d s 电路中，为了达到足够小的频率分辨率，通常将相位累加 器的为数n 取大，如n = 3 2 。但受体积和成本的限制，即使采用先进的存储方式， r o m 的容量都远小于此，因此在对r o m 进行寻址时，只是用相位累加器的高w 卫基于a d 7 0 0 8 的d d s 方波信号发生器研究 为去寻址，这样不可避免的引进误差，即相位截断误差，另外，一个幅值在理论 上只能用一个无限长的二进制代码才能精确表示，由于r o m 的存储能力，只采用 一定比特代码来表示这一幅值，这必然会引起幅度量化误差。还有d a c 的有限分 辨率以及非线性也会引起误差。 ? 2 2 2d d s 的杂散分析 通过以上的分析已经知道，面s 的杂散来源主要有相位截断误差，幅值量化误 差和d a 非理想特性。如图2 2 所示，下面分别予以介绍和分析： 相位截断误差幅值量化误差叭转换谩差 图2 2d d s 杂散来源模型 ( 1 ) 相位截断误差 由式( 2 1 2 ) 可知，取较大的n 值可以使频率分辨率达到很高，故实际中一般 取n = 3 2 甚至4 8 。如果相位累加器输出的所有位数全部用来查询正弦函数表，那 正弦表的容量会特别的大，如n = 3 2 时，若正弦表数据为8 位，则表的容量为2 ” x 8 = 3 4 3 5 9 7 3 8 3 6 8 ，如此巨大的容量难以实现，即使能实现，其成本和稳定性也不 容乐观。所以在d d s 中使用了相位截断这种方法，即只用高的w 位来查表，舍 弃剩下的低b = n w 位。由此所产生的相位值误差会导致输出的正弦幅度值也产生 误差，现在输出的频谱上就是会有杂散信号存在，并且这种相位截断误差是d d s 杂散的主要来源。 当寻址r o m 的地址线只取相位累加器输出地址线的高w 位，即舍弃了低b = n w 位，此时应有： 跏) ：s i n ( 2 万 等 多 其中 x 表示对x 作不大于x 的取整运算。 上式可重新表示为： s ( 拄) ：s m ( 2 万掣) 其中e ( n ) 为相位截断误差： ( h ) ：鬈矗一2 4 2 。( i k r n ) ：”) m o d 2 5 第二章d d s 原理及性能分析 s ( n ) 司展开为： 跏) - s i n ( 2 石r 争c o s ( 2 丌争s ( 2 万可g r ) s i n ( 2 厅- 争( 2 2 2 4 ) 因为o 占( n ) l 2 时，杂散落在( 正一r ) 频点上； d a c 非线性带来的杂散，位置可以确定，但是幅度难以确定，因为这与具体的 d a c 芯片的非线性特性有直接关系【”l 。 ( 4 ) 其他噪声源带来的杂散 ( a ) 开关暂态引起的杂散 开关暂态是d a c 结构中开关特性的非对称性引起的。非对称性是指开关脉冲波 的上升沿和下降沿不对称。或者说开关脉冲的上升时间和下降时间不相等。 开关暂态同样会产生谐波失真。另外，它还会使d