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基于dds技术的高精度数控信号源设计.docx

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基于dds技术的高精度数控信号源设计.docx

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摘要: 一种采用 DDS 技术的新型高精度数控信号源,可输出正弦波、方波和三角波.

系统中输出波形的频率采用数控方式,可实现对频率的逐赫兹调节,频率精度优于 0. 1 Hz,

最高输出频率可达 30MHz 左右. 与传统信号源相比,本设计具有输出波形质量好、频率

精度和稳定性高、频率范围宽等优点. 设计方案简洁,易于实现.

关键词：DDS 信号源单片机

第一章　　绪　论

1.1 课题研究的意义与作用

1971 年，美国学者 j.Tierney 等人撰写的"　A Digital Frequency

Synthesizer"-文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

种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的

技术相比，故未受到重视。近 10 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。

1.2 DDS 的研究现状及发展趋势

在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率合成技术有模

拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接

数字合成(Direct Digital Synthesis－DDS)是近年来新的频率合成技术。单片集成

的 DDS 产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS 是产生高精度、快速变

换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS 以稳定度高的参考时钟为参考源，

通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速 D/A 变换器产生所需的数字波形

（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波

形。如图 1-1 所示，通过高速 DAC 产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到

一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信

号。

DDS 系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理

频率和相位。除此之外，DDS 的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频

率的可控范围达μHz 级，相位控制小于 0.09°）,能够进行快速的信号变换（输出 DAC

的转换速率 300 百万次/秒）。这些特性使 DDS 在军事雷达和通信系统中应用日益广

泛。

其实，以前 DDS 价格昂贵、功耗大（以前的功耗达 Watt 级）、DAC 器件转换速率不

高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的

发展，DDS 芯片能集成包括高速 DAC 器件在内的部件，其功耗降低到 mW 级（AD9851

在 3.3v 时功耗为 650mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS 也获得广泛的应用：

现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN 系统、雷达、卫星通信。

1.3 DDS 的系统简介

1.3.1DDS 的基本原理　

　　DDS 的基本原理是利用采样定理，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 1-2 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 f

ｓ，加法器将频率控制字ｋ与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结

果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所

产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，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

线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，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，相位累加器的溢出频率

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、高分辨力、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。

1.3.2 DDS 的性能特点

（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，频率转换的时间等于频率控制字的传输

时间，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 的频率分辨率就由相位累加器的位数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。

第二章 AD9850 简介

2.1 AD9850 功能概述

AD9850 是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部包含有输入寄存器、数据寄

存器、数字合成器（DDS）、10 位高速 D/A 转换器和高速比较器。AD9850 高速的

直接数字合成器（DDS）核心根据设定的 32 位频率控制字和 5 位相移控制字，可产

生 0.029Hz 到 62.5MHz 的正弦波信号和标准的方波信号。该器件提供了并行和串行

控制字输入，可通过并行接口或串行接口实现控制字的定入，以改变其输出频率和

相位。其主要特性如下：

（1）单电源供电，+5V 或+3.3V；

（2）功耗低，380mW(5V)，

155mW(3.3V)；

（3）具有电源关断功能；

（4）工作温度：-40℃-+85℃。

1.2 AD9850 的引脚功能

　　AD9850 是 28 脚 SOP 表面封装，

体积小，易用于便携仪器。其 AD9850

排列如图 1 所示，功能如下：

（1）D0-D7，控制字并行输入

端，其中 D7 可作为串行输入；

（2）DGND，数字地；

　　（3）DVDD，为内部数字电路提供电源；

　　（4）WCLK，控制字装入时钟；

　　（5）FQUD，频率更新控制；

　　（6）CLK，输入时钟；

　　（7）AGND，模拟地；

　　（8）AVDD，为内部模拟电路提供电源，可与数字电源共用；

　　（9）RSET，DAC 外接电阻；

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