基于DDS的信號發(fā)生器基本原理研究

孟帥旗　徐志平　尹新宇　廖航　王錦濤

摘要：信號發(fā)生器是一種能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的電子儀器，是工業(yè)生產(chǎn)和電工電子實驗室中經(jīng)常使用的電子儀器之一。隨著社會發(fā)展和科技的進步，目前中高端的信號發(fā)生器的設(shè)計均采用了DDS技術(shù)。此類信號發(fā)生器具有頻率輸出穩(wěn)定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等優(yōu)點，可以說DDS技術(shù)對于信號發(fā)生器的發(fā)展具有非常重要的作用，它是使信號發(fā)生器更加成熟、更加先進的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器;DDS技術(shù);DDS芯片;相位累加器

中圖分類號：TP216+.2

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.1 591 3/j .cnki.kj ycx.2019.09.031

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DDS技術(shù)的發(fā)展

直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Synthesizer，DDS）是以數(shù)字信號處理理論為基礎(chǔ)，從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種全數(shù)字技術(shù)頻率合成方法。

DDS發(fā)展到現(xiàn)在，合成信號頻率的精確度仍是其今后發(fā)展的主要方向，而這方面的性能指標(biāo)的提高可以從兩個方面進行，一是發(fā)展更先進的芯片生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出性能更加完善的DDS芯片;二是對于已有成品的DDS芯片設(shè)計完善抗干擾、抑制雜散的外圍電路。運用DDS技術(shù)生產(chǎn)的DDS任意波形信號發(fā)生器是一類較新的信號源，已經(jīng)廣泛地投入使用。它不僅能產(chǎn)生傳統(tǒng)函數(shù)信號器能產(chǎn)生的正弦波、方波、三角波、鋸齒波，還可以產(chǎn)生任意編輯的波形。由于DDS的自身特點，所以很容易產(chǎn)生一些數(shù)字調(diào)制信號，如FSK、PSK等[1]。

2 DDS技術(shù)的特點

DDS技術(shù)的特點有：①分辨率較高。其頻率大小由其相位累加器的位數(shù)N和外部輸入的參考時鐘頻率fc共同決定。因此可以選取較高相位累加器數(shù)的DDS芯片，進一步提高信號的頻率分辨率。②輸出信號的頻率范圍寬。傳統(tǒng)信號合成器由于受到混疊現(xiàn)象和低通濾波器非理想過渡特性的影響，輸出的頻率采樣上限會受到限制，一般設(shè)定為采樣頻率fc的1/3，而DDS的輸出信號頻率的上線為fc的1/2，所以DDS技術(shù)輸出信號的頻率范圍要遠高于傳統(tǒng)技術(shù)的輸出頻率寬。⑧輸出信號的頻率切換速度快。頻率控制字K的傳遞時間只與fc和流水線的長度有關(guān)，在理想狀態(tài)下，DDS輸出信號的頻率可達納秒級[2]。

3 DDS信號發(fā)生器的構(gòu)成

圖1為DDS信號發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)，其主要元件有相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，下面分別介紹各元件的主要功能。

3.1 相位累加器

DDS技術(shù)中最關(guān)鍵的部分就是相位累加器。相位累加器是在外部時鐘信號的控制下產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的地址值，然后通過查表法，把地址直接轉(zhuǎn)化為所需信號波形的數(shù)字幅度序列，再經(jīng)由數(shù)模變換器（ D/A）把代表信號波形幅度的數(shù)字序列進一步轉(zhuǎn)化為模擬電壓，最后傳送到低通濾波器。經(jīng)過濾波器處理，將數(shù)模變換器中不理想的階梯狀波形轉(zhuǎn)化為平滑的所需波形。合成信號的波形種類由ROM表中的幅度序列決定。如果需要多種波形，只需把所需波形的數(shù)據(jù)直接存放到ROM表中即可。

3.2 波形存儲器

波形存儲器也被稱之為正弦查詢表，它的主要功能是在任何一個參考時鐘周期內(nèi)，都可以把從上一級傳輸過來的相位二進制碼信息作為地址，讀取查詢表中的相應(yīng)地址對應(yīng)的幅值二進制碼信息。這里需要說明的是，正弦查詢表中能夠查找的數(shù)據(jù)信息是預(yù)先存儲好的，也就是說需要事先對標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號按照采樣定理進行抽樣和離散，比如波形存儲器的查詢地址為M，這就需要將一個周期的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號G（t）進行抽樣和離散，即使其成為一個有2M個樣本值的D位二進制離散序列，把每一個樣值的相位信息作為存儲地址，對應(yīng)的幅值信息作為地址的存儲內(nèi)容。

當(dāng)收到上一級相位累加器傳輸過來的相位二進制碼信息時，將其作為地址來讀取內(nèi)部對應(yīng)的預(yù)先存好的存儲內(nèi)容即標(biāo)準(zhǔn)信號的幅值二進制碼信息，并將這個幅值信息的D位二進制碼傳送給下一級。

3.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以把波形存儲器所輸出的包含幅值信息的D位二進制離散序列轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬信號，但在實際中，它所恢復(fù)的模擬信號并不是真正光滑的正弦波，而是由很多個小方塊聚合成一個具有正弦波輪廓的階梯形信號。更直觀地說，轉(zhuǎn)換來的模擬信號不能完全被還原，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在很大程度上決定了還原后模擬信號的精度——位數(shù)越大，分辨率越高，組成階梯形正弦信號的矩形數(shù)量就越多，波形看起來越平滑，與正弦波形的相似度也就越高。所以，目前多數(shù)集成電路廠商在設(shè)計DDS芯片時都會盡量集成具有較高位數(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。同樣，D/A轉(zhuǎn)換器的其他參數(shù)，如轉(zhuǎn)換速率、線性度等也都影響著輸出信號的質(zhì)量。

3.4 低通濾波器

低通濾波器（ Low Pass Filter，LPF）主要是將上級（D/A轉(zhuǎn)換器）輸出的階梯形的正弦信號進行平滑處理，去除混疊的、無用的雜散分量，使輸出信號更為純凈，波形變得更為平滑。

4 DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波的MATLAB仿真

利用MATLAB仿真，模擬DDS的信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為109 Hz的正弦波，采樣頻率fs=1.2 GHz。其仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，可以看到DDS準(zhǔn)確輸出了所需波形，符合實驗預(yù)期，因此通過程序輸入不同數(shù)據(jù)DDS就能夠輸出所需要的波形。

對比圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，DDS位寬越寬，其精度越高，但是位寬的寬度對ROM空間大小有一定要求，位寬越大，所占ROM空間越多，因此在實際應(yīng)用當(dāng)中我們要根據(jù)確定問題來選取合適的位寬。

5 總結(jié)與展望

DDS技術(shù)是現(xiàn)代中高端信號發(fā)生器的核心技術(shù)，DDS信號發(fā)生器具有頻率輸出穩(wěn)定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等一系列優(yōu)點。本文簡要論述了DDS技術(shù)的發(fā)展歷程和工作原理，并進一步分析了其主要結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、各元器件的功能和聯(lián)系，使用MATLAB軟件進行DDS的設(shè)計與仿真，為后續(xù)深入了解DDS技術(shù)和改進打下了重要的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[l]張濤，陳亮.現(xiàn)代DDS的研究進展概述[J].電子科技，2008， 21（3）：133-136.

[2]王佳榮.基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器設(shè)計[D].吉林：吉林大學(xué)，2015.