课时十二DDS原理

DDS原理ALTERACycloneIIEP2C8QFT工作室2019/12/16目录2019/12/16一．DDS应用领域二．DDS实现原理三．信号源相关指标四．DDS有关名词解释五．误差分析及杂散的来源FT工作室一、DDS应用领域DDS是一种全数字技术,它从相位概念出发直接合成所需频率.与其他频率合成法相比,具有频率转换时间短,频率分辨率高,相位变化连续,低相位噪声和低漂移,易于集成、调整、实现正交输出等优点。近年来,DDS技术在频率合成、通信、雷达、电子对抗、仪器测试等领域均有广泛的应用.2019/12/16FT工作室二.DDS实现原理DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DA转换成模拟量的信号合成技术。DDS的理论基础是奈奎斯特采样定律，当采样频率大于等于模拟信号频率的2倍时，可以由采样得到的离散信号无失真的恢复原始信号。在DDS中，这个过程被颠倒过来。DDS不是对一个模拟信号进行采样，而是一个假定采样过程已经发生且采样的值已量化完成，如何通过某种映射把已经量化的数值送到D/A及后级的LPF重建原始信号的问题。2019/12/16上图中的系统时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于DDS中各器件同步工作。DDS工作时，频率控制字在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址查找表ROM，将相位信息转变成相应的数字化幅度值，ROM输出的数字化波形序列再经DA实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后DA输出的阶梯序列波通过LPF（低通滤波器）平滑滤波后得到一个纯净的波形信号。2019/12/162019/12/162019/12/16FT工作室DDS原理框图将存于ROM中的数字波形，经DAC，形成模拟量波形。改变寻址的步长来改变输出信号的频率。步长即为对数字波形查表的相位增量。由累加器对相位增量进行累加,累加器的值作为查表地址。DAC输出的阶梯形波形,经低通滤波，成为模拟波形。2019/12/162019/12/16输出信号频率为fout=K·fclk/2N,频率分辨率为Δfout=fclk/2N,实际最高输出频率取(频谱性能）foutmax=fclk×40%,相对带宽为foutmax/foutmin=2N×40%.2019/12/16三.DDS有关名词解释2019/12/164．输出幅度（Vpp）：信号源输出信号的电压范围，一般表示为峰-峰值。5．输出通道（CH）：信号源对外界输出的通道数量。6．垂直分辨率（DAC）：垂直分辨率与仪器数模转换的二进制字长度（单位：位）有关，位越多，分辨率越高数模转换的垂直分辨率决定复现波形的幅度精度和失真。分辨率不足的数模转换会导致量化误差，导致波形生成不理想。2019/12/167.水平(定时)分辨率水平分辨率表示创建波形可以使用的最小时间增量。一般来说，这个指标使用下面的公式计算得出的。T=1/F其中T是定时分辨率，单位为秒；F是采样频率。根据这一定义，最大时钟速率是100MHz的信号发生器的定时分辨率是10ns。换句话说，这一混合信号发生器输出波形的特点是由一串相距10ns的步进确定的。2019/12/168.上升时间和下降时间：边沿转换时间也称为上升时间和下降时间，其特点通常与脉冲和方波有关。它们用来衡量信号边沿从一种状态转换成另一种状态所需的时间。在现代数字电路中，这些值通常很低，只有几纳秒、甚至更低。上升时间和下降时间都在转换前和转换后10%与90%的静态电压电平之间测得(有时也使用20%和80%这两个点)2019/12/169.存储深度存储深度或记录长度与时钟频率一起使用。存储深度决定着可以存储的最大样点数量。每个波形样点占用一个存储器位置。每个位置等于当前时钟频率下采样间隔的时间。例如，如果时钟以100MHz运行，那么存储的样点间隔是10ns。在许多频率上，存储深度在信号保真度中发挥着重要作用，因为它决定着可以存储多少个数据点来定义一个波形。特别是在复杂波形中，存储深度对精确复现信号细节至关重要。2019/12/1610.带宽(Fw)仪器的带宽是一种模拟术语，它与采样率无关。信号发生器输出电路的模拟带宽必须足以处理其采样率将支持的最大频率。换句话说，必须有足够的带宽，能够传送从存储器中输出时钟的最高频率和转换时间，而不会劣化信号特点。带宽是指仪器输出或能测量的信号幅度衰减-3dB处的最高频率。例如示波器的带宽是正弦输入信号衰减到其实际幅度的70.7%时的频率值，带宽决定着示波器对信号的基本测量能力，随着信号频率的增加，示波器对信号的准确显示能力将下降。如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化，幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失，得到的关于信号的所有特性都是没有意义的。2019/12/16四.DDS相关指标输出频率范围输出频率稳定度输出频率精确度输出波形线性度输出信号杂散输出信号的幅度相对带宽2019/12/16五.误差分析及杂散来源DDS理想情况下：1.相位累加器输出的用于查找表ROM寻址的相位值没有经过舍位。2.查找表ROM中所存储的量化幅度值用无限长的二进制代码表示。3.DA的分别率无限大，且具有理想的数模转换特性。但DDS不可能工作在上述理想情况下。2019/12/161.相位截断为了得到很高的频率分辨率，DDS中常常把相位累加器的位数设的很多，而如果用相位累加器的全部位数来查询波形存储表，那么存储表的大小将很大，不符合实际。通常只用高几位来查询存储表。这样就不可避免的产生截断误差。而这种误差是DDS杂散的主要来源。在相位截断情况下，DDS输出的频谱中含有杂散分量的根本原因是相位截断误差序列是一个周期序列。这种在杂散不容易消除，如果能把周期序列变成随机相位噪声，可以消除杂散。2019/12/162.数模转换器的量化噪声2019/12/163.DA非理想特性及参考时钟相位噪声2019/12/16杂散总结：引起杂散的主要原因：相位截断误差，电压幅度量化误差，参考时钟噪声，DA转换器的非线性误差，以及系统电路的噪声等为输出频谱带来噪声和杂散。2019/12/16减小误差的相关措施：1.通过增加ROM的地址位数，减小相位截断误差2.增长ROM内幅度值的位数和选用精度高的DA，减小DA幅度量化误差2019/12/162019/12/16版权信息本文档手册为FT工作室原创资源，享有完全版权。任何收存和保管本文档各版本的单位和个人，未经本公司同意,不得随意复制,抄录,修改本文档的部分或者全部内容。转载本文档时请务必保证此文档的完整性。文档必须包含本版权信息。不得将转载作品以任何形式谋取商业利益，也不得向任何第三方提供，否则视为侵权。FT工作室