基于DDS的波形發生器設計

0 引 言

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

　　 (1)傳統的直接頻率合成技術(DS)。該類方法能實現快速頻率變換，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、混頻和濾波環節，導致其結構復雜、體積龐大、成本昂貴，而且容易產生過多雜散分量。

　　 (2)鎖相環式頻率合成器(PLL)。該類技術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。但由于鎖相環本身是個惰性環節，鎖定時間較長，因而頻率轉換時間較長，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、相位和幅度均可實現程控，而且理論上能夠實現任意波形。

　　1 DDS基本原理和特點

　　1．1 DDS基本原理

　　 直接頻率合成技術實際上是通過將存儲的波形數據，通過特定算法，經過高速D／A轉換器轉換成所需要模擬信號的數字合成技術。其基本原理框圖如圖1所示。

　 由圖1可見，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，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行線性累加，當相位累加器積滿量時就會產生一次溢出，從而完成一個周期性的動作，即合成信號的一個頻率周期。累加器的輸出地址對波形ROM進行尋址，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。通過高速D／A變換把數字量變成模擬量，經過低通濾波器進一步平滑并濾掉帶外雜散，得到所需的波形。

　　1．2 DDS實現的正弦信號分析

　　 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，系統輸出的頻譜。這時，整個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(·)函數為包絡的一組離散譜線，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。

　　2 系統設計

　　 DDS芯片的選擇對于方案性能十分關鍵，除了要考慮其輸出帶寬外，還要從整個系統的角度出發進行選擇。AD公司的芯片一般都具有集成DAC和時鐘可倍頻的特點。內部集成DAC的方案可以使得整個系統的設計變得極為簡便，而且也有很好的性能；可利用時鐘可倍頻的特點，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，可編程的基準時鐘倍增器以及調制和控制電路，能夠在單片機上實現頻率調制、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作為一個精確的時鐘源時，它能產生高穩定度，頻率一相位一幅度均可編程的正弦和余弦輸出。其主要特點有：

　　 工作頻率高 其工作頻率高達300 MHz，其電路結構允許產生頻率達到150 MHz的同時正交輸出信號。相位截斷到17位保證了優良的無雜散信號動態范圍(SFDR)。

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

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

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

　　 簡單的高速串、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：單音調模式、非斜升FSK、斜升FSK、線性調頻和BPSK，在使用中可以根據不同的需要進行轉換。

　　2．2 數字信號處理器——ADSP21065

　　 ADSP21065采用超級哈佛總線結構，內部有4條獨立的總線，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浮點輸入，40 b結果，或32 b定點輸入，80 b結果；ALU支持32／40 b浮點加減，32 b定點加減，允許同時求2個操作數的和／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；兩個優先權不同的定時器中斷矢量；同時16個循環尋址，同時2個位反序尋址。

　　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的讀寫進行控制。系統通過波形選擇開關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8位數據線D7～DO將所選模式傳送至AD9854的控制寄存器，并對AD9854進行相應的初始化和置數。DDS的兩個頻率控制字FTW1和FTW2通過D7～D0傳送至雙48位頻率控制寄存器，確定輸出信號頻率。這樣就會在AD9854的輸出端產生正弦調制信號，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，需經過低通濾波器，通過放大電路進行放大獲得所需輸出信號。

　3 軟件設計

　　 數字處理器ADSP21065有48位的超長指令集(VLIW)，一條指令可以包含多個可選操作。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片內多個功能單元的并行操作特性，可以同時進行乘法、加法、減法等多個運算，體現了ADSP21065超級哈佛結構的高效特點。整機系統軟件設計采用了AD公司開發軟件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

　　 隨著無線通信、數字電視、衛星定位遙控遙測技術以及精密制導等現代高技術的廣泛應用和不斷發展，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越高。在目前已有的各種頻率合成技術中，DDS技術以其優越的性能得到越來越多的應用，同時也在應用中促進了該技術的進一步優化和發展。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生器系統設計方案，可以產生高精度、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。