DDS信号发生器原理

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1、2基本原理2.1直接数字频率合成器直接数字合成（DirectDigitalSynthesis，简称DDS）技术是从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，得到不同的相位，通过数字计算技术产生对应的电压幅度，最后滤波平滑输出所需频率。2.1.1DDS工作原理下面，通过从相位出发的正弦函数产生描述DDS的概念。图1表示了半径R为1的单位圆，半径R绕圆心旋转与X轴的正方向形成夹角θ(t)，即相位角。图1单位圆表示正弦函数S=Rsinθ(t)DDS的原理框图如图2所示。图中相位累加器可在每一个时钟周期来

2、临时将频率控制字（FTW）所决定的相位增量M累加一次，如果记数大于2，则自动溢出，而只保留后面的N位数字于累加器中。相位累加器（N比特）正弦查询表（ROM）数模转换（DAC）低通滤波器（LPF）时钟（f）频率（f）控制字（M）输出图2DDS原理框图11DDS的数学模型可归结为：在每一个时钟周期T内，频率控制字M与N比特相位累加器累加一次，并同时对2取模运算，得到的和（以N位二进制数表示）作为相位值，以二进制代码的形式去查询正弦函数表ROM，将相位信息转变成相应的数字量化正弦幅度值，ROM输出的数字

3、正弦波序列再经数模转换器转变为阶梯模拟信号，最后通过低通滤波器平滑后得到一个纯净的正弦模拟信号。由于ROM表的规模有限，相位累加器一般仅取高位作为寻址地址送入正弦查询表获得波形幅度值。正弦查询表中以二进制数形式存入用系统时钟对正弦信号进行采样所得的样值点，可见只需改变查询表内容就可实现不同的波形输出。2.1.2DDS的结构DDS的基本结构包括相位累加器、正弦查询表（ROM）、数模转换器（DAC）和低通滤波器（LPF），其中从频率控制字到波形查询表实现由数字频率值输入生成相应频率的数字波形，其工作过

4、程为：⑴确定频率控制字M；⑵在时钟脉冲f的控制下，该频率控制字累加至相位累加器生成实时数字相位值；⑶将相位值寻址ROM转换成正弦表中相应的数字幅码。模块DAC实现将数字幅度值高速且线性地转变为模拟幅度值，DDS产生的混叠干扰由DAC之后的低通滤波器滤除。㈠相位累加器相位累加器是DDS最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。若当前相位累加器的值为Σ，经过一个时钟周期后变为Σ，则满足Σ=Σ+MΣ为一等差数列，不难得出：Σ=nM+Σ其中Σ为相位累加器的初始相位值。㈡正弦查询表（ROM）DD

5、S查询表所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦幅值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高m位对其进行寻址，最后的输出为该相位相对应的二进制正弦幅值序列。㈢数模转换器（DAC）11数模转换器的作用是将数字形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟形式信号。DAC有电压和电流输出两种，其输出的信号并不能真正连续可变，而是以其绝对分辨率为最小单位的，所以其输出实际上是一个阶梯模拟信号。2.1.3DDS的优点正由于DDS采用全数字技术，从概念到结构都有很大的突破，所以它具有其他频率合成所无法比

6、拟的优越性。①频率分辨率高。若时钟频率不变，DDS频率分辨率仅由相位累加器位数来决定，也就是理论上的值越大，就可以得到足够高的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多都小于1mHz甚至更小，这是其他频率合成器很难做到的。②工作频带较宽。根据Nyquist定律，只要输出信号的最高频率分辨率分量小于或等于f/2就可以实现。而实际当中由于受到低通滤波器设计以及杂散分布的影响限制，仅能做到40%f左右。③超高速频率转换时间。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

7、换时间极短。DDS的频率转换时间可达到纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要小几个数量级。④相位变化连续。改变DDS输出频率，实际上改变的是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具有任意输出波形的能力。只要ROM中所存的幅值满足并且严格遵守Nyquist定律，即可得到输出波形。例如三角波、正弦波和矩形波。⑥具有调制能力。由于DDS是相位控制系统，这样也就有利于各种调制功能。2.2波形产生分析相位累加器正弦表查询fCo

8、sWave[7..0]FACCResult[31..0]频率控制字fFTW[31..0]FACCResult[31..24]图3正弦波产生框图11相位累加器为32位累加器，输出为0～（2-1），作为正弦查询表的地址输入端。正弦表中存放一个周期的正弦波内的2个点的数据，输出f为一正弦波，其频率由频率控制字进行调节，输出频率：f=f/2FTW最小频率分辨率：f=f/2其中N为相位累加器的位数，FTW为频率步进控制字，f为时钟频率，输出信号频率主要取决于频率控制字FTW。当FTW增大时，