基于DDS的波形發(fā)生器設計

　　0 引 言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展及測試對象不斷豐富，現代電子系統對波形發(fā)生器也提出了更高的要求。傳統的模擬信號發(fā)生器已經(jīng)不能滿(mǎn)足客觀(guān)要求，急需能產(chǎn)生用戶(hù)定義波形的儀器。伴隨電子測量技術(shù)與計算機技術(shù)的緊密結合，一種新的信號發(fā)生器――任意波形發(fā)生器應運而生，它可產(chǎn)生由用戶(hù)定義的任意復雜的波形，因而具有廣闊的應用發(fā)展前景。目前設計波形發(fā)生器的方法通常有三種：

　　(1)傳統的直接頻率合成技術(shù)(DS)。該類(lèi)方法能實(shí)現快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節，導致其結構復雜、體積龐大、成本昂貴，而且容易產(chǎn)生過(guò)多雜散分量。

　　(2)鎖相環(huán)式頻率合成器(PLL)。該類(lèi)技術(shù)具有良好窄帶跟蹤特性，可選擇所需頻率信號，抑制雜散分量，且省去大量濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是個(gè)惰性環(huán)節，鎖定時(shí)間較長(cháng)，因而頻率轉換時(shí)間較長(cháng)，且由模擬方法合成的正弦波的參數(如幅度、頻率和相位等)都難以定量控制。

　　(3)直接數字式頻率合成器(Direct Digital Fre-quency，DDS)。該類(lèi)方法具有高頻率穩定度、高頻率分辨率以及極短的頻率轉換時(shí)間。此外，全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實(shí)現程控，而且理論上能夠實(shí)現任意波形。

　　1 DDS基本原理和特點(diǎn)

　　1.1 DDS基本原理

　　直接頻率合成技術(shù)實(shí)際上是通過(guò)將存儲的波形數據，通過(guò)特定算法，經(jīng)過(guò)高速D/A轉換器轉換成所需要模擬信號的數字合成技術(shù)。其基本原理框圖如圖1所示。

　　由圖1可見(jiàn)，其主要由標準參考頻率源、相位累加器、波形存儲器、數/模轉換器等部分組成。其中，參考頻率源一般是一個(gè)高穩定的晶體振蕩器，其輸出信號用于DDS中各部件同步工作。當頻率合成器正常工作時(shí)，在標準頻率參考源的控制下(頻率控制字K決定了其相位增量)，相位累加器則不斷地對該相位增量進(jìn)行線(xiàn)性累加，當相位累加器積滿(mǎn)量時(shí)就會(huì )產(chǎn)生一次溢出，從而完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，即合成信號的一個(gè)頻率周期。累加器的輸出地址對波形ROM進(jìn)行尋址，從而把存儲在相位累加器中的抽樣值轉化成對應的正弦波幅度序列。通過(guò)高速D/A變換把數字量變成模擬量，經(jīng)過(guò)低通濾波器進(jìn)一步平滑并濾掉帶外雜散，得到所需的波形。

　　1.2 DDS實(shí)現的正弦信號分析

　　理想DDS的輸出頻譜就是指不存在相位舍入誤差、幅度量化誤差和DAC誤差時(shí)，系統輸出的頻譜。這時(shí)，整個(gè)DDS系統就相當于理想的采樣保持電路。其輸出信號的頻譜結構是以Sa(?)函數為包絡(luò )的一組離散譜線(xiàn)，如圖2(所選fc=200 MHz，fo=40 MHz)所示，只在f=nfc±fO=(n±K/2N)fc處存在離散譜線(xiàn)。

　　2 系統設計

　　DDS芯片的選擇對于方案性能十分關(guān)鍵，除了要考慮其輸出帶寬外，還要從整個(gè)系統的角度出發(fā)進(jìn)行選擇。AD公司的芯片一般都具有集成DAC和時(shí)鐘可倍頻的特點(diǎn)。內部集成DAC的方案可以使得整個(gè)系統的設計變得極為簡(jiǎn)便，而且也有很好的性能;可利用時(shí)鐘可倍頻的特點(diǎn)，以降低對晶振的要求。在本方案中，采用AD9854作為DDS的核心芯片，應用AD公司的數字處理器ADSP21065作為主處理器，主要實(shí)現對AD9854的控制和置數。

　　2.1 DDS芯片――AD9854

　　AD9854數字合成器是AD公司的一款高度集成的DDS器件，其內部集成了雙48位頻率累加器，雙48位相位累加器，正余弦波形表，雙12位正交數模轉換器，雙12位數字倍增器，可編程的基準時(shí)鐘倍增器以及調制和控制電路，能夠在單片機上實(shí)現頻率調制、相位調制，可編程的幅度調制以及I，Q兩路正交調制等多種功能。當AD9854作為一個(gè)精確的時(shí)鐘源時(shí)，它能產(chǎn)生高穩定度，頻率一相位一幅度均可編程的正弦和余弦輸出。其主要特點(diǎn)有：

　　工作頻率高 其工作頻率高達300 MHz，其電路結構允許產(chǎn)生頻率達到150 MHz的同時(shí)正交輸出信號。相位截斷到17位保證了優(yōu)良的無(wú)雜散信號動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。

　　頻率分辨率高 其創(chuàng )新的高速DDS核提供了48位的頻率分辨率(當SYSCLK為300 MHz時(shí)有1μHz的調節分辨率)。

　　可編程的基準時(shí)鐘倍增器 AD9854的可編程的4×～20×的REFCLK倍增器電路在內部從一個(gè)低頻的外部參考時(shí)鐘產(chǎn)生300 MHz的系統時(shí)鐘，節省了用戶(hù)的花費，減小系統時(shí)鐘源的難度。

　　內部集成高性能DAC 兩個(gè)12 b/300 MHz的DAC使輸出信號的信噪比(SNR)滿(mǎn)足要求。

　　簡(jiǎn)單的高速串、并行數據接口 并行口的數據傳輸速率達到100 MHz，串行口也有10 MHz的速度，頻率轉換時(shí)間最低能達到10 ns。

　　多種工作模式 有五種可編程的工作模式：?jiǎn)我粽{模式、非斜升FSK、斜升FSK、線(xiàn)性調頻和BPSK，在使用中可以根據不同的需要進(jìn)行轉換。

　　2.2 數字信號處理器――ADSP21065

　　ADSP21065采用超級哈佛總線(xiàn)結構，內部有4條獨立的總線(xiàn)，分別用于雙數據存取、指令存取和輸入/輸出接口，十分有效地將數字信號處理系統的主要功能塊集成在一片芯片上。它的主要性能特點(diǎn)有：

　　主頻最高可達66 MHz;片內O.5 MB SRAM，可以靈活地設置成16/32/40/48 b格式，用于數據/程序存儲;乘法器為32/40 b浮點(diǎn)輸入，40 b結果，或32 b定點(diǎn)輸入，80 b結果;ALU支持32/40 b浮點(diǎn)加減，32 b定點(diǎn)加減，允許同時(shí)求2個(gè)操作數的和/差，這對于蝶形運算十分有利;運算單元具有120.MFLOPS的峰值運算能力，可以在單周期內帶條件判斷地執行一次乘、一次加、一次減和一次跳轉;兩個(gè)優(yōu)先權不同的定時(shí)器中斷矢量;同時(shí)16個(gè)循環(huán)尋址，同時(shí)2個(gè)位反序尋址。

　　2.3 系統設計

　　系統設計框圖如圖3所示，利用了AD9854的并行可編程模式，沒(méi)有片選信號。D7～D0為8位雙向并行可編程數據輸入端口，A5～AO為6位并行地址輸入端口。ADSP21065的WR，RD引腳分別與AD9854的RDB/CSB，WRB/SCLK引腳相連，對AD9854的讀寫(xiě)進(jìn)行控制。系統通過(guò)波形選擇開(kāi)關(guān)確定輸出信號的波形模式，再由CPLD控制器將波形模式傳送至AD-SP21065的FLAG引腳。然后ADSP21065通過(guò)8位數據線(xiàn)D7～DO將所選模式傳送至AD9854的控制寄存器，并對AD9854進(jìn)行相應的初始化和置數。DDS的兩個(gè)頻率控制字FTW1和FTW2通過(guò)D7～D0傳送至雙48位頻率控制寄存器，確定輸出信號頻率。這樣就會(huì )在A(yíng)D9854的輸出端產(chǎn)生正弦調制信號，此正弦信號是由AD9854內部的12位D/A轉換得到的階梯信號，含有豐富的高次頻譜分量，需經(jīng)過(guò)低通濾波器，通過(guò)放大電路進(jìn)行放大獲得所需輸出信號。

　　3 軟件設計

　　數字處理器ADSP21065有48位的超長(cháng)指令集(VLIW)，一條指令可以包含多個(gè)可選操作。全部指令分成四大組：計算和數據存取、程序流控制、直接數據存取以及其他類(lèi)指令。其中的計算和數據存取、程序流控制兩組指令充分利用了ADSP21065片內多個(gè)功能單元的并行操作特性，可以同時(shí)進(jìn)行乘法、加法、減法等多個(gè)運算，體現了ADSP21065超級哈佛結構的高效特點(diǎn)。整機系統軟件設計采用了AD公司開(kāi)發(fā)軟件Visu-al DSP++，其提供了豐富的數據分析、處理菜單，大大提高了程序的設計效率。其總體流程圖如圖4所示。

　　4 結 語(yǔ)

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、數字電視、衛星定位遙控遙測技術(shù)以及精密制導等現代高技術(shù)的廣泛應用和不斷發(fā)展，對頻率源的頻率穩定度、頻譜純度、瀕率范圍都有更大的要求，對作為頻率源的頻率合成器的性能要求越來(lái)越高。在目前已有的各種頻率合成技術(shù)中，DDS技術(shù)以其優(yōu)越的性能得到越來(lái)越多的應用，同時(shí)也在應用中促進(jìn)了該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展。本文介紹了一種以AD公司DDS芯片AD9854和數字處理芯片AD-SP2106為設計基礎的波形發(fā)生器系統設計方案，可以產(chǎn)生高精度、高分辨率的任意波形，給出了硬件接口電路設計以及軟件系統流程設計。