DDS芯片资料

DDS
一、简介
DDS同 DSP（数字信号处理）一样，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。

与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

DDS输出示意图
1、DDS的简单介绍
DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。

频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。

DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。

另外，有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A 变换器（如AD7008）。

2、DDS主要芯片介绍
二、DDS的工作原理
在模拟域的正弦波中，单个频率fa, 的相位角以下面的速度旋转一个固定角度：ω=Δphase/Δt=2πfa,
相位角相对于时间的变化与正弦波频率呈线性关系，在每个正弦波周期结束时相位角为0。

在数字域，上述方程式中的Δt为采样时钟频率fs的倒数，这表明对任何给定的采样：
fa=Δphase*fs /2π
DDS中的相位累加器生成输出信号的相位信息，它通常基于一个32位的频率调节字(FTW)，代表了Δphase。

显然，32位的FTW能够保证DDS输出频率的高分辨率。

通过另外的相位寄存器累加相位偏移量来完成相位调制。

这个相位信息直接映射为输入字决定的频率的幅度信息，然后DDS中的一个模块将相位信息转换为幅度值。

传统上由保存在内存中的正弦/余弦查找表来完成这项任务。

为控制查找表的大小，并不是FTW中所有的位都被用于查找表，尽管它们可在选择fa上提供高分辨率。

该模块的输出为DAC的输入，DAC则产生一个幅度序列，然后由低通滤波器对DAC的输出进行平滑处理。

三、DDS的优点及应用
1、DDS有如下优点：
⑴频率分辨率高，输出频点多，可达2的N次方个频点(N为相位累加器位数)；
⑵频率切换速度快，可达us量级；
⑶频率切换时相位连续；
⑷可以输出宽带正交信号；
⑸输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；
⑹可以产生任意波形；
⑺全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。

2、DDS的应用
在各行各业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的作用。

但信号源具有许多不同的类型，不同类型的信号源在功能和特性上各不相同，分别适用于许多不同的应用。

目前，最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。

信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。

⑴任意波形发生器
任意波形发生器(AWG)通常提供较深的存储器，较大的动态范围以及较宽的带宽，来满足各式各样的应用，包括通信、半导体和系统测试。

AWG接收来自PC的用户自定义数据，并利用这些数据来生成任意波形。

AWG用户可以将想要产生的一系列波形下载到仪器所带的存储器中。

通常，可以存储实际的波形和形成这些波形所需的波
形序列指令。

现在请看一下AWG的基本架构。

要从AWG上产生一种波形，必须先创建任意波形本身。

像模拟波形编辑器，调制工具，以及国家仪器公司(NI)的LabVIEW这类的软件工具都能够简化这些波形的创建。

这些波形和其波形序列指令都存在仪器所带的RAM中。

波形生成序列通常从TTL硬件触发器开始。

各种波形由许多单个的样本构成，而生成采样率由仪器的采样时钟确定。

从内部采样时钟时基(100 MHz VCXO)中导出采样时钟有几种不同模式，包括DDS定时Div/N时钟，以及几种提供不同外部时钟的模式。

另外，对于用于仪器的锁相环的频率基准，也有几种不同的选择。

波形通过存储器到数模转换器( DAC)，数模转换器将数字采样样本转换成所需的模拟输出波形。

在DAC之前，样本被数字滤波，而经过DAC之后，模拟输出又通过一个模拟滤波器。

这些数字和模拟滤波器通过插值来增加采样率，并通过谐波低通滤波器滤除寄生信号，从而极大地改进了信号的质量。

通常，这些滤波器都能够软件编程。

AWG允许用户规定波形片断，并通过重复来构建复杂波形。

由于AWG将波形存储在自身存储器中，故波形长度受限。

波形循环帮助产生具有多次重复的子段的信号。

对波形段进行循环改善了存储效率，并增加了波形的持续时间。

AWG还可以规定波形中不同的级，每级都可以包括不同的波形段和不同的循环次数。

AWG依次产生每一个定义的波形段。

通过组合先后顺序和循环次数，就能够利用很小的存储器容量来构建非常复杂的波形。

AWG可以为每段指定不同的波形片段，不过不同段之间的过渡点上的相位不一定是连续的。

最后，许多AWG都具有一个仿函数发生器功能。

此时，当要求输出一个标准函数波形时，可以先用软件来产生，并下载到AWG上，然后再由AWG输出。

这就不同于下面将要介绍的全DDS技术。

⑵函数发生器
函数发生器产生固定波形，如正弦波、方波(矩形波）阶梯波或三角波（锯齿波），频率可调节。

函数发生器无需来自计算机或大容量存储缓冲器的连续输入，因为设备本身能够产生这些波形。

函数发生器可以基于模拟技术，也可以基于数字技术。

模拟函数发生器利用模拟硬件来产生简单的函数，并在需要指定频率的静态正弦波或方波时经常使用。

而数字函数发生器采用直接数字综合( DDS)，DAC，数字信号处理，以及一个单周期存储缓冲器来产生信号。

DDS技术依赖数字控制的方法，利用单基准时钟频率来实现一个模拟频率源。

DDS能够实现高精度和高分辨率，高温度稳定度，高宽带，以及随机的和相位连续的频率切换。

许多信号源通过对一个内部时基进行整数分频来产生时钟信号，这被称为除N方法。

但是，用除N方法来产生时钟，只能产生有限的时钟频率。

AWG，甚至几个时钟频率产生器，可以采用DDS技术来产生具有非常精细的更新频率时钟信号，而这是除N方法无法实现的。

典型的DDS函数发生器
一个完整周期的函数波形被存储在上面所示的存储器查找表中。

相位累加器跟踪输出函数的电流相位。

为了输出一个非常低的频率，采样样本之间的差相位(Δ)将非常小。

例如，一个很慢的正弦波可能将有1度的
Δ相位。

则波形的0号采样样本采得0度时刻的正弦波的幅度，而波形的1号采样将采得1度时刻的正弦波的幅度，依次类推。

经过360次采样后，将输出正弦曲线的全部360度，或者确切地说是一个周期。

一个较快的正弦波可能会有10度的Δ相位。

于是，36次采样就会输出正弦波的一个周期。

如果采样率保持恒定，上述较慢的正弦波的频率将比较快的正弦波慢10倍。

进一步说，一个恒定的Δ相位必将导致一个恒定正弦波频率的输出。

但是，DDS技术允许通过一个频率表迅速地改变信号的Δ相位。

函数发生器能够指定一个频率表，该表包括由波形频率和持续时间信息组成的各个段。

函数发生器按顺序产生每个定义的频率段。

通过生成一个频率表，可以构建复杂的频率扫描信号和频率跳变信号。

DDS允许函数发生器的相位从一级到另一级连续变化。

矢量信号发生器提供高灵活度和强大的解决方案，可用于科学研究，通信，消费电子，宇航/国防，半导体测试以及一些新兴领域，如软件无线电，无线电频率识别( RFID)，以及无线传感网络等。

有些公司还提供许多其他利用DAC来产生模拟信号的模拟输出产品。

模拟输出板的基本架构是，将一个小型的FIFO存储器连接到一个DAC上。

绝大部分的模拟输出板被用来产生静态电压，而且许多可以被用来产生低频波形。