摘要：討論了DDS的工作原理及性能性點(diǎn)，介紹了目前實(shí)現(xiàn)DDS常用的三種技術(shù)方案,，并對各方案的特點(diǎn)作了簡單的說明,。
  關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成器 相位累加器 信號(hào)源 現(xiàn)場可編程門限列
   1971年，美國學(xué)者J.Tierney等人撰寫的“A Digital Frequency Synthesizer”-文首次提出了以全數(shù)字技術(shù),，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新給 成原理,。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件產(chǎn)，它的性牟指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)盯比,，故未受到重視,。近1年間，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,，直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS或DDFS）得到了飛速的發(fā)展,，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的姣姣者。具體體現(xiàn)在相對帶寬寬,、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短,、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù),、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào),、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面,，并具有極高的性價(jià)比,。

1 DDS基本原理及性能特點(diǎn)
   DDS的基本大批量是利用采樣定量，通過查表法產(chǎn)生波形,。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種,，其基本的電路原理可用圖1來表示。
   相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成,。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs,，加法器將控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端,，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加,。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下,，不斷對頻率控制字進(jìn)行線性相位加累加,。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)中輸入時(shí),，把頻率控制字累加一次,，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位,，相位累加器的出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。
用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址,。這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出,，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器,，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào),。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào),。
DDS在相對帶寬,、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間,、高分頭放力,、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平,，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能,。

（1）輸出頻率相對帶寬較寬
      輸出頻率帶寬為50%fs（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計(jì)難度以及對輸出信號(hào)雜散的抑制,，實(shí)際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到40%fs,。
（2）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短
     DDS是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié),，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短,。事實(shí)上，在DDS的頻率控制字改變之后,，需經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期之后按照新的相位增量累加,，才能實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此,，頻率時(shí)間等于頻率控制字的傳輸,，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高,，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短,。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納秒數(shù)量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級,。
（3）頻率分辨率極高
若時(shí)鐘fs的頻率不變,，DDS的頻率分辨率就是則相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率,。目前,，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級，許多小于1mHz甚至更小,。
（4）相位變化連續(xù)
改變DDS輸出頻率,，實(shí)際上改變的每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量,，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變,，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性,。
（5）輸出波形的靈活性
只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM,，即可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻,、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生FSK,、PSK,、ASK和MSK等信號(hào)。另外,，只要在DDS的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù),，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，如三角波,、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形,。當(dāng)DDS的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，既可得到正交的兩路輸出,。

  （6）其他優(yōu)點(diǎn)
由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路,，易于集成，功耗低,、體積小,、重量輕、可靠性高,，且易于程控,，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高,。

DDS也有局限性,，主要表現(xiàn)在：
（1）輸出頻帶范圍有限
由于DDS內(nèi)部DAC和波形存儲(chǔ)器（ROM）的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻有限,。目前市場上采用CMOS,、TTL、ECL工藝制作的DDS工習(xí)片,，工作頻率一般在幾十MHz至400MHz左右,。采用GaAs工藝的DDS芯片工作頻率可達(dá)2GHz左右。
（2）輸出雜散大
由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu),，不可避免地引入了雜散,。其來源主要有三個(gè)：相位累加器相位舍位誤差造成的雜散；幅度量化誤差（由存儲(chǔ)器有限字長引起）造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散,。

2 實(shí)現(xiàn)DDS的三種技術(shù)方案
2.1 采用高性能DDS單片電路的解決方案
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，目前高超 性能優(yōu)良的DDS產(chǎn)品不斷推出,，主要有Qualcomm、AD,、Sciteg和Stanford等公司單片電路（monolithic）,。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230,、Q2334,、Q2240、Q2368,，其中Q2368的時(shí)鐘頻率為130MHz,，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc,，變頻時(shí)間為0.1μs;美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850,、AD9851、可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的AD9852,、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調(diào)制器AD9853,、數(shù)字上變頻器AD9856和AD9857.AD公司的DDS系列產(chǎn)品以其較高的性能價(jià)格比,，目前取得了極為廣泛的應(yīng)用,。AD公司的常用DDS芯片選用列表見表1.下面僅對比較常用的AD9850芯片作一簡單介紹。

表1 AD公司的常用DDS芯片選用列表
型 號(hào)    最大工作(MHz)    工作電壓（V）    最大功耗（mw)    備   注
AD9832    25    3.3/5    120    小型封裝,，串行輸入,，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9831    25    3.3/5    120    低電壓,，經(jīng)濟(jì),，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9833    25    2.5～5.5    20    10個(gè)管腳的uSOIC封裝,。
AD9834    50    2.5～5.5    25    20個(gè)管腳的TSSOP封裝并內(nèi)置比較器,。
AD9835    50    5    200    經(jīng)濟(jì)，小型封裝,，串行輸入,，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9830    50    5    300    經(jīng)濟(jì),，并行輸入,，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。
AD9850    125    3.3/5    480    內(nèi)置比較器和D/A轉(zhuǎn)換器,。
AD9853    165    3.3/5    1150    可編程數(shù)字QPSK/16-QAM調(diào)制器,。
AD9851    180    3/3.3/5    650    內(nèi)置比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘6倍頻器,。
AD9852    300    3.3    1200    內(nèi)置12位的D/A轉(zhuǎn)換器,、高速比較器,、線性調(diào)頻和可編程參考時(shí)鐘倍頻器。
AD9854    300    3.3    1200    內(nèi)置12位兩路正交D/A轉(zhuǎn)換器,、高速比較器和可編程參考時(shí)鐘倍頻器,。
AD9858    1000    3.3    2000    內(nèi)置10位的D/A轉(zhuǎn)換器、150MHz相頻檢測器,、充電汞和2GHz混頻器,。
AD9850是AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)1996年推出的高集成度DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng),、高性能DAC及高速比較器,，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。接上精密時(shí)鐘源,，AD9850可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈,、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或轉(zhuǎn)換成方波用作時(shí)鐘輸出,。AD9850接口控制簡單,，可以用8位并行口或串行口經(jīng)、相位等控制數(shù)據(jù),。32位頻率控制字,，在125MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分產(chǎn)率達(dá)0.029Hz,。先進(jìn)的CMOS工藝使AD9850不僅性能指標(biāo)一流,，而且功耗少，在3.3V供電時(shí),，功耗僅為155mW,。擴(kuò)展工業(yè)級溫度范圍為-40～+85攝氏度，其封裝是28引腳的SSOP表面封裝,。

AD9850采用32位相位累加器,，截?cái)喑?4位，輸入正弦查詢表,，查詢表輸出截?cái)喑?0位,，輸入到DAC。DAC輸出兩個(gè)互補(bǔ)的模擬電流,，接到濾波器上,。調(diào)節(jié)DAC滿量程輸出電流，需外接一個(gè)電阻Rset,，其調(diào)節(jié)關(guān)系是Iset=32（1.248V/Rset）,，滿量程電流為10～20mA。

2.2 采用低頻正弦波DDS單片電路的解決方案
Micro Linear公司的電源管理事業(yè)部推出低頻正弦波DDS單片電路ML2035以其價(jià)格低廉、使用簡單得到廣泛應(yīng)用,。ML2035特性：（1）輸出頻率為直流到25kHz,，在時(shí)鐘輸入為12.352MHz野外頻率分辨率可達(dá)到1.5Hz（-0.75～+0.75Hz），輸出正弦波信號(hào)的峰-峰值為Vcc,；（2）高度集成化,，無需或僅需極少的外接元件支持，自帶3～12MHz晶體振蕩電路,；（3）兼容的3線SPI串行輸入口,，帶雙緩沖，能方便地配合單片機(jī)使用,；（4）增益誤差和總諧波失真很低,。
ML2035為DIP-8封裝，各引腳功能如下：
（1）Vss：-5V電源,；
(2)SCK：串行時(shí)鐘輸入,，在上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖入16位移位寄存器；
（3）SID：串行數(shù)據(jù)輸入,，該串行數(shù)據(jù)為頻率控制字,，決定6腳輸出的頻率；
（4）LATI：串行數(shù)據(jù)鎖存,，在下降沿將頻率控制字鎖入16位數(shù)據(jù)鎖存器,；
（5）Vcc：+5電源；
（6）Vout：模擬信號(hào)輸出,；
（7）GND：公共地,，輸入,、輸出均以此點(diǎn)作為參考點(diǎn),；
（8）CLK IN：時(shí)鐘輸入，可外接時(shí)鐘或石英晶體,。

ML2035生成的頻率較低（0～25kHz）,，一般應(yīng)用于一些需產(chǎn)生的頻率為工頻和音頻的場合。如用2片ML2035產(chǎn)生多頻互控信號(hào),，并與AMS3104（多頻接收芯片）或ML2031/2032（音頻檢波器）配合,，制作通信系統(tǒng)中的收發(fā)電路等。
可編程正弦波發(fā)生器芯片ML2035設(shè)計(jì)巧妙,，具有可編程,、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),，應(yīng)用范圍廣泛,。很適合需要低成本、高可靠性的低頻正弦波信號(hào)的場合。
ML2037是新一代低頻正弦波DDS單片電路,，生成的最高頻可達(dá)500kHz,。

2.3 自行設(shè)計(jì)的基于FPGA芯片的解決方案
DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件,?？删幊踢壿嬈骷云渌俣雀摺⒁?guī)模在,、可編程,，以及有強(qiáng)大EDA軟件支持等特性，十分適合實(shí)現(xiàn)DDS技術(shù),。Altera是著名的PLD生產(chǎn)廠商,，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先的地位。Altera的PLD具有高性能,、高集成度和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn),，此外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核,、宏功能庫等,，因此Altera的產(chǎn)品獲得了廣泛的應(yīng)用。Altera的產(chǎn)品有多個(gè)系列,，按照推出的先后順序依次為Classic系列,、MAX（Multiple Array Matrix）系列、FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列,、APEX（Advanced Logic Element Matrix）系列,、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等,。

Max+plusII是Altera提供的一個(gè)完整的EDA開發(fā)軟件,，可完成從設(shè)備輸入、編譯,、邏輯綜合,、器件適配、設(shè)計(jì)仿真,、定時(shí)分析,、器件編程的所有過程。QuartusII是Altera近幾年來推出的新一代可編程邏輯器件設(shè)計(jì)環(huán)境,，其功能更為強(qiáng)大,。

用Max+plusII設(shè)計(jì)DDS系統(tǒng)數(shù)字部分最簡單的方法是采用原理圖輸入。相位累加器調(diào)用lmp_add_sub加減法器模擬,，相位累加器的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的速度,，采用流水線技術(shù)能大幅度地提升速度,。波形存儲(chǔ)器（ROM）通過調(diào)用lpm_rom元件實(shí)現(xiàn)，其LPM_FILE的值*.mif是一個(gè)存放波形幅值的文件,。波形存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)主要考慮的問題是其容量的大小,，利用波形幅值的奇、偶對稱特性,，可以節(jié)省3/4的資源,，這是非常可觀的,。為了進(jìn)一步優(yōu)化速度的設(shè)計(jì),，可以選擇菜單Assign|Globan Project Logic Synthesis的選項(xiàng)Optimize10（速度），并設(shè)定Global Project Logic Synthesis Style為FAST,，經(jīng)寄存器性能分析最高頻率達(dá)到100MHz以上,。用FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS能工用在如此之高的頻率主要依賴于FPGA先進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

雖然有的專用DDS芯片的功能也比較多,，但控制方式卻是固定的,，因此不一定是我們所需要的。而利用FPGA則可以根據(jù)需要方便地實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻,、調(diào)相和調(diào)幅功能,，具有良好的實(shí)用性。就可成信號(hào)質(zhì)量而言,，專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝,，內(nèi)部數(shù)字信號(hào)抖動(dòng)很小，可以輸出高質(zhì)量的模擬信號(hào),；利用FPGA也能輸出較高質(zhì)量的信號(hào),，雖然達(dá)不到專用DDS芯片的水平，但信號(hào)精度誤差在允許范圍之內(nèi),。

DDS問世之初,，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲這兩個(gè)主要缺點(diǎn)阻礙了DDS的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對DDS的深入研究,，DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達(dá)到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃?。隨著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊,、導(dǎo)航、雷達(dá),、遙控遙測,、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。