数字PPL频率合成器的原理与使用
直接数字频率合成器(DDS)原理分析
直接数字频率合成器（DDS）原理分析直接数字频率合成器DDS（Direct Digital Frequncy Synthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。
其组成包括相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF），原理框图如图1所示。
以正弦波形合成为例，DDS合成频率的具体流程描述如下。
相位累加器由N位加法器与N位寄存器级联组成。
在时钟脉冲fc控制下，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。
寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端；使加法器在下一时钟作用下继续与频率控制字进行相加。
这样相位累加器在时钟的作用下，进行相位的累加。
当相位累加器累加满时就会产生溢出，完成一个周期的动作。
通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。
令相位加法器的字长为N，当相位控制字由0跃变到不为零的P时，波形存储器（ROM）的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，所以输出的幅度编码相位增加。
波形的改变是通过改变W波形控制字实现的。
由于ROM中不同波形分块存储，所以当W改变时，ROM输入端为相移后的地址与W之和。
经过K、P、W设置后的相位累加器输出的数据作为ROM的取样地址，进行波形的相位—幅值转换，即可在给定时间上确定输出波形的抽样幅值。
N位的寻址ROM相当于把0o～360o的正弦波信号离散成具有2N个样值的序列，若波形ROM有D位数据位，则2N个取样点的幅值以D位二进制数值固化于ROM 中，按照地址的不同可以输出相应相位的正弦信号幅值。
幅度控制字能够控制ROM输出的正弦信号幅值的变化，乘法器（除法器）在DDS电路中相单于将每一个幅值量化值增大（缩小）了A倍。
由上面分析可以看出，DDS输出方程可表示为，f0为输出频率，fc为时钟频率。
当K=1时，DDS输出最低频率（即频率分辨率）为，而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即fc/2，也就是说K的理论最大值为2N-1。
第4章数字频率合成器的设计讲解
第 4 章数字频率合成器的设计随着通信、雷达、宇航和遥控遥测技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数提出越来越高的要求。
为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。
频率合成是通信、测量系统中常用的一种技术,它是将一个或若干个高稳定度和高准确度的参考频率经过各种处理技术生成具有同样稳定度和准确度的大量离散频率的技术。
频率合成的方法很多，可分为直接式频率合成器、间接式频率合成器、直接式数字频率合成器( DDS) 。
直接合成法是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。
该方法频率转换时间快(小于100ns),但是体积大、功耗大，目前已基本不被采用。
锁相式频率合成器是利用锁相环( PLL )的窄带跟踪特性来得到不同的频率。
该方法结构简化、便于集成,且频谱纯度高,目前使用比较广泛。
直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis简称：DDS)是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM，D/A 转换器和低通滤波器构成, DDS 技术是一种新的频率合成方法, 它具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。
但合成信号频率较低、频谱不纯、输出杂散等。
这里将重点研究锁相式频率合成器。
本章采用锁相环, 进行频率合成器的设计与制作4.1设计任务与要求1.设计任务：利用锁相环，进行频率合成器的设计与制作2.设计指标：(1)要求频率合成器输出的频率范围f0为1kHz〜99kHz;(2)频率间隔f为1kHz;(3)基准频率采用晶体振荡频率，要求用数字电路设计，频率稳定度应优于10一4;(4)数字显示频率；(5)频率调节采用计数方式。
3•设计要求：(1)要求设计出数字锁相式频率合成器的完整电路。
(2)数字锁相式频率合成器的各部分参数计算和器件选择。
直接数字频率合成器(DDS PLL).
频率为
f out
fc M N 2
0 M 2N 1
频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：
M ( f out 2 N ) f c
其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。由取样定理，所产生 的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出 频率不要高于时钟频率的33%,以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。 在图中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长 度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。DAC分辨率一器的分辨率，DDS的最小分辨率为
f min
fc 2N
这个增量也就是最低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所 以有
f 0 max
fc 2
与PLL不同,DDS的输出频率可以瞬时地改变,即可以实现跳频，这是DDS的一个突 出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。
续混频 分频,获得很小的频率步进,电路复杂,不易集成
– 直接数字合成法------DDS
VCO--用电压(流)控制振荡频率
改变C
改变R
改变L
改变电流
频率综合技术概述
• 开环VCO的频率稳定度和频率精度较低 • PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考 振荡源(通常用晶振)
PLL框图如下:
PLL的构成
DDS
这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前， 其工作速度主要受D/A变换器的限制。利用正弦信号的 相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信 号的瞬时幅值，从而实现频率合成。 DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细 的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可 方便实现各种调制等优越性能。 但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度, DDS的频率上限目前还只能达到数百兆,限制了在某些 领域的应用。
频率合成器及应用
摘要随着电子技术的不断发展,人们对频率源的要求越来越高,频率合成技术也跟着不断发展, 本文介绍了直接频率合成技术、间接频率合成技术和直接数字频率合成技术的基本原理以及用来进行频率合成的几种方法,根据各种方法的特点讨论了它们各自的优缺点.重点讨论了作为第三代频率合成技术(直接数字频率合成技术)的基本原理和误差分析,并结合其他频率合成技术,设计了一种高精度、高稳定度、高分辨率频率合成器.根据所提出的技术要求,采用直接数字频率合成芯片作为核心芯片完成了硬件设计.直接数字频率合成(DDS)技术用于产生和调节高质量波形，广泛用于医学、工业、仪器仪表、通信、国防等众多领域。
本文主要从五个方面介绍了频率合成器及应用。
首先讲述了频率合成器的研究背景和研究现状；其次介绍了频率合成技术的一些基本概念、分类、主要指标、基本方法以及长期频率稳定度和相位噪声；接着介绍了直接频率合成技术的原理和组成以及几个主要的组成电路；再次介绍了间接频率合成技术的基本组成和工作原理以及锁相环路的相位模型和动态方程；最后介绍了直接数字频率合成技术的基本原理、它的相位噪声和杂散以及它的一些芯片及其在铁路信号系统中的应用。
关键字：频率合成技术、IS、DDS、PLLABSTRACTAlong with the development of electrical and electronic technology, People to demand more and more frequency source,the synthetic technology of frequencywith continuous development.This paper introduces the direct frequency synthesis technology, Indirect frequency synthesis technology and direct digital frequency synthesis technology used for the basic principle and the synthesis methods offrequency, according to the characteristics of various methods discussed theirrespective advantages and disadvantages.A discussion on the third generation frequency as synthesis technology (direct digital frequency synthesis technology) the basic principle and the error analysis, and in combination with other frequency synthesis technology, design a kind of high precision, high stability, high resolution frequency synthesizer.According to the proposed technique requirements, use direct digital frequency synthesis chip as core chip completed the hardware design. Direct digital frequency synthesis (DDS) technology is used to produce and adjust the high quality waveform, widely used in medicine, industrial, instrument and apparatus, communication, national defense, etc.This paper mainly introduced from five aspects frequency synthesizer and application. First of all about frequency synthesizer background and the present situation of the research; Secondly introduces the synthesis technology of frequency some basic concept, classification, main index, the basic method and long-term frequency stability and phase noise; Then it introduces the principle of direct frequency synthesis technology and composition and several major component circuit; Again the indirect frequency synthesis technology introduced the basic composition and working principle and phase lock loop of the phase of the model and the dynamic equation; At last, the paper introduces the direct digital frequency synthesis technology, the basic principle of its phase noise and stray and some of its chip and its application in railway signal system.Key word: Frequency synthesis technology, IS, DDS, PLL目录第1章绪论 (1)1.1 频率合成器的研究背景 (1)1.2频率合成器的研究现状 (1)第2章频率合成技术 (3)2.1频率合成技术概述 (3)2.2频率合成器的主要指标 (3)2.3频率合成的基本方法 (5)2.4频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声 (6)2.4.1长期频率稳定度 (6)2.4.2 相位噪声 (6)2.4.3噪声来源 (7)第3章直接频率合成（DS）技术 (8)3.1 直接频率合成器的基本原理和组成 (8)3.2直接频率合成器的几个主要组成电路 (9)3.2.1混频器 (9)3.2.2倍频器 (11)3.2.3分频器 (13)3.2.4压控振荡器 (14)3.2.5石英晶体振荡器 (15)第4章间接频率合成(IS)技术—锁相频率合成技术 (17)4.1 锁相环路的基本组成和工作原理 (17)4.1.1 锁相环路的基本组成 (17)4.1.2锁相环的基本原理 (18)4.2锁相环路的相位模型及动态方程 (20)4.2.1锁相基本方程和相位模型（时域） (20)4.2.2锁相基本方程和相位模型（复频域） (21)4.2.3锁相环路的工作状态 (21)第5章直接数字频率合成(DDS)技术 (24)5.1 直接数字频率合成的基本原理 (25)5.1.1 DDS技术与传统的频率合成相比有如下优点 (26)5.1.2 DDS组成及其特点 (27)5.2 直接数字频率合成的相位噪声和杂散 (28)5.2.1 直接数字频率合成的相位噪声 (28)5.2.2 直接数字频率合成的杂散分析 (29)5.2.3 降低杂散电平的方法 (29)5.3 集成直接数字频率合成器的芯片介绍和应用 (32)5.3.1集成直接数字频率合成器的芯片介绍 (32)5.3.2 DDS直接数字频率合成技术在铁路信号系统中的应用 (33)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)第1章绪论1.1频率合成器的研究背景频率合成（频率综合）是指由一个或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运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。
pll频率合成技术简介
第 5 次
平均值
瞬时相位误差会产生大量的小数杂散，并出现在偏移中心频率 Nfractional x PDF 之处
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小数分频杂散抑制方法1——增加▽∑级数
• 1阶调制器 • N 计数器交替采用 900 与 901 这两个数值 • 2阶调制器 • N 计数器交替采用 898、899、900 及 901 这 4 个数值 • 3阶调制器 • N 计数器交替采用 896、895、898、899、900、901、902 及 904 这几个数值 • 理论上，3阶 delta sigma 锁相环的杂散应少于2阶 delta sigma 锁 相环
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小数分频
• 1阶delta sigma 锁相环 • • • 没有补偿的传统式小数锁相环 N 计数器交替采用 2 个数值 例如，N 计数器交替采用 900 及 901 这两个数值，最后得出 900.2 的数值
900
900 900 900
第 1 次
第 2 次 第 3 次 第 4 次
901
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系统关键性能——相位余量和环路带宽
• 环路带宽定义： 环路带宽越大→锁定时间越短→带外杂散抑制小
环路带宽一般选在：PLL噪声=VCO噪声（理想状态）
• 相位余量定义： 相位余量越大→锁定时间越长 相位余量越大→系统越稳定 平衡锁定时间和稳定性，相位余量一般选在48°
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小数分频
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小数分频
fo fr R N
fｏ ＝N f PDF
• 整数分频锁相环:
fvco = (N)PDF, (N+1)PDF, (N+2)PDF, …..
步进取决于鉴相频率
数字高频调谐器原理与结构分析
数字高频调谐器原理与结构分析数字高频调谐器是一种用于调节高频信号频率的装置，它在无线通信、雷达、卫星通信等领域起着重要的作用。
本文将详细介绍数字高频调谐器的原理和结构，并分析其工作过程。
一、原理数字高频调谐器的原理基于频率合成和滤波技术。
其主要功能是将输入的高频信号调整到指定的频率范围内，并滤除不需要的频率分量。
其原理主要包括以下几个方面：1. 数字频率合成数字高频调谐器采用数字信号处理技术，通过数字频率合成器将输入的高频信号调整到目标频率范围内。
数字频率合成器是由相位锁定环路（PLL）和数字控制振荡器（DCO）组成的。
相位锁定环路用于锁定输入信号的相位，而数字控制振荡器则根据相位锁定环路的输出生成目标频率的高频信号。
2. 数字滤波数字高频调谐器还需要进行滤波处理，以滤除不需要的频率分量。
滤波器通常采用数字滤波器，其主要功能是在目标频率范围内增强信号的幅度，并在其他频率范围内削弱信号的幅度。
数字滤波器可以通过滤波算法实现，常用的算法包括有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器。
3. 数字控制数字高频调谐器还需要进行数字控制，以实现对频率和滤波参数的调节。
数字控制可以通过微处理器或可编程逻辑器件实现，通过调节相位锁定环路和数字滤波器的参数，可以实现对输入信号的精确调谐。
二、结构数字高频调谐器的结构主要包括输入端、数字频率合成器、数字滤波器和输出端。
下面将对每个部分进行详细介绍。
1. 输入端输入端主要用于接收外部的高频信号。
它通常包括天线、前置放大器和滤波器。
天线用于接收无线信号，并将其转换为电信号。
前置放大器用于放大电信号的幅度，以提高信号的强度。
滤波器用于滤除不需要的频率分量，以减少噪声和干扰。
2. 数字频率合成器数字频率合成器是数字高频调谐器的核心部分。
它由相位锁定环路和数字控制振荡器组成。
相位锁定环路用于锁定输入信号的相位，以实现相位同步。
数字控制振荡器根据相位锁定环路的输出生成目标频率的高频信号。
直接数字频率合成原理
直接数字频率合成原理咱们先想象一下，你想要各种不同的频率，就像你想要不同口味的冰淇淋一样。
在传统的世界里，要得到不同频率可麻烦啦，就像你得跑到不同的店里去买不同口味的冰淇淋。
但是直接数字频率合成就不一样啦，它就像是一个超级冰淇淋机，可以根据你的想法做出各种各样口味（频率）的冰淇淋（信号）。
那这个神奇的“冰淇淋机”是怎么工作的呢？其实啊，它是从数字的世界开始的。
就好比它有一个超级大脑，这个大脑里全是数字。
它先在这个数字的世界里规划好要生成的频率。
比如说，你想要一个特定频率的信号，它就会用数字的方式来描述这个频率。
这就像是厨师在心里先想好要做一个什么口味的菜，然后才开始动手做一样。
然后呢，这个超级大脑会根据这些数字信息，开始进行一些超级神奇的数学运算。
这些运算就像是魔法咒语一样。
它把数字变成了一种特殊的代码，这种代码就像是通往频率世界的钥匙。
这时候啊，你可以想象这些代码就像一群小精灵，它们带着生成特定频率的使命。
接下来，这些小精灵般的代码就会被送到一个叫做数模转换器（DAC）的地方。
这个数模转换器可太厉害了，它就像是一个魔法转换站。
那些数字的小精灵一到这里，就被它变成了模拟的信号，也就是我们能真正听到或者用到的频率信号啦。
就好像小精灵从数字世界穿越到了现实世界，从无形的数字变成了能让我们感受到的频率波动。
你知道吗？直接数字频率合成还有一个超级棒的地方。
它可以非常快速地改变频率哦。
就像你可以在瞬间从巧克力口味的冰淇淋切换到草莓口味一样。
在很多实际的应用里，这可太有用啦。
比如说在通信设备里，有时候需要快速地切换频率来传输不同的信息。
直接数字频率合成就可以轻松做到这一点，就像一个超级灵活的小助手。
而且呢，这个频率合成的精度还特别高。
它就像是一个超级精准的厨师，做出来的菜（频率）总是能精确地符合你的要求。
不像有些传统的方法，可能会有一些误差，这个直接数字频率合成就像是一个追求完美的艺术家，每个频率都能被精准地创造出来。
合成器的数学原理和应用
合成器的数学原理和应用概述合成器是一种电子音乐设备，能够生成各种不同的声音效果。
它通过数学原理和算法来合成音频信号，将不同的波形、频率、振幅和音色相结合，产生出丰富多样的音色效果。
本文将介绍合成器的数学原理和应用，并以列点方式呈现相关知识。
数学原理•波形生成：合成器使用不同的波形来生成声音，常见的波形包括正弦波、方波、锯齿波和三角波。
每种波形对应着不同的音色效果，通过调整波形的频率和振幅，可以产生不同的音调和音量。
•频率调制：合成器通过频率调制来改变声音的音调。
常见的频率调制方式包括线性调频（FM）和指数调频（PM），它们能够让声音产生跳跃、滑动或颤抖的效果。
•滤波器：合成器中的滤波器用于改变声音的频谱特性，常见的滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。
它们可以削弱或突出某个频段的声音，改变音色效果。
•包络生成器：合成器中的包络生成器用于控制声音的起始、变化和结束的过程。
它包括一系列阶段，分别控制声音的攻击、衰减、持续和释放。
应用合成器具有广泛的应用领域，包括音乐制作、电影电视配乐、游戏音效等。
以下是合成器在各个领域的常见应用：音乐制作•合成器是音乐制作的重要工具之一，可以用于创作和演奏各种音乐风格。
通过调整合成器的参数，音乐制作者可以创造出独特的声音效果，从而给音乐作品增添个性和创意。
•合成器可以模拟各种乐器的声音，如钢琴、吉他、鼓等，使音乐制作者能够在作品中使用更多种类的声音。
电影电视配乐•合成器在电影和电视剧的配乐中扮演着重要的角色。
它可以模拟环境音效、特殊效果音和人声等不同的音色，为影视作品增加氛围和情感色彩。
•合成器还可以通过合成音乐来表现电影和电视剧中的情节和情感变化，起到强化剧情的作用。
游戏音效•合成器在游戏音效中经常被使用，可以产生丰富多样的音效效果。
通过合成器，游戏开发者可以创造出逼真的环境声音，使玩家身临其境；还可以为不同角色和物体设计独特的音效，增加游戏的乐趣和刺激性。
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数字PPL频率合成器的原理与使用
作者：伊力多斯·艾尔肯
来源：《中国科技博览》2013年第36期
中图分类号：TN742.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0323-01
中波广播发射机载波频率振荡器能在531KHZ--1602KH频段内提供，1KHZ为间隔的1071个频率点。
这些频点的载波振荡频率稳定度和精度都应满足系统的性能要求，并能迅速变换。
显然常用的晶体振荡器无法满足上述要求，因为尽管晶体振荡器能提供高稳定的振荡频率，但其频率值单一，只能在很小的频率段内进行微调。
频率合成技术则是能够实现上述要求的一种新技术，数字PLL频率合成器是目前应用最广泛的一种频率合成器，它与模拟PLL频率合成器的区别在于数字PLL中采用除法器（分频器），而不是用频率减法器来降低输入鉴相器频率的。
由于分频器可以很方便的用数字电路来实现，而且还具有可储存可变换的功能。
因此它比一般的模拟PLL频率合成器更方便、更灵活。
此外，数字电路易于集成和超小型化。
PLL即相位锁定环路，它是自动控制两振荡信号频率相等和相位同步的闭环系统，频率合成是指用可变分频器的方法将一个（或多个）基准频率信号转换为频率按比例降低或升高的另一个（或多个）所需频率信号的技术，采用PLL技术的频率合成器称为锁相环路频率合成器，图（1）所示为数字PLL合成器的原理框图。
它主要有鉴相器（PD），压控振荡器（VCO），基准晶体振荡器，基准分频器（1/R），前置分频器（1/K），可编程分频器也叫程控分频器（1/N），低通滤波器（LPF）等组成。
可编程分频器的分频系数N由二进制码Po---Pn制定（如图1）。
其中鉴相器（PD）是完成压控振荡器（VCO）的输出信号U0（t），经前置分频和程控分频的信号Uf（T）与输入信号Ui（t）的相位比较，得到误差相位Φe（t）=Φf（t）-Φi（t），产生一个输出电压Ud（t），这个电压的大小直接反映两个信号相位差的大小，电压的极性反应输入信号Ui（t）超前或滞后于Uf（t）的相对相位关系。
由此可见，PD在环路中是用来完成相位差电压转换作用，其输出误差电压是瞬间相位的函数。
低通滤波器（LPF）滤除Ud （t）中的高频分量与噪声成分，得到控制信号Uc（t），压控振荡器（VCO）受Uc（t）控
制，使振荡频率经前置和程控分频后其fPLL不断向输入信号频率fR靠近，使Φe（t）逐渐减小，若干循环后，使Φe（t）趋于较小的不变常数值Φe∞称为环路剩余相位差，实现fPLL准确跟踪fR，则环路被锁定。
环路锁定的充分必要条件是Φe（t）=Φe∞，fPLL=fR。
基准分频器，前置分频器，是固守分频比的分频器。
可编程分频器的分频系数N是可变的。
工作时，送入二进制码Po-Pn，去程控分频器，调整其分频系数N，使VCO输出频率fo 经K次前置分频器，N次程控分频器后得到的频率fPLL=fo/（K·N）的信号送至PD。
另外基准频率振荡器fR经R次分频得到的频率fR=fr/R的信号也送至PD，两信号在PD中进行频率相位比较，得到误差电压Ud（t），经LPF送至VCO的压控频率控制端，直至fPLL=fR时环路锁定，信号流程为（如图2）：
可见环路锁定时有：fo/（K·N）=fr/R=fR，或fo=K·N·（fr/R）=K·N·fR，fr是由石英晶振产生。
因此，由PLL得到的VCO信号fo具有与石英晶振相当的稳定度，因为K、R、fR为固定数值，故fo正比于No，这样当要设定某一载波频率时，只需改变可编程分频器的分频系数N即可。
数字PLL频率合成器的原理虽然较复杂，但使用时却较简单方便。
现以维语558KHZ为例，简要说明其使用方法：我台使用的数字PLL频率合成器型号为ST9800，频率范围为
531KHZ--1601KHZ，频率间隔为1KHZ，频率稳定度为1×10-7天。
逻辑信号为12位二进制码，P0--P11为12位二进制码，P0--P11为12个开关，当开关置“ON”时为“0”，置“OFF”时为“1”。
在具体使用时，只需将十进制数（558）10变换为二进制数（1000101110）2，按下表所示顺序输入，此逻辑信号即可得到558KHZ的载波频率（如表1）。