基于DDS模块

1基于DDS模块的同步鉴相仪学生：陈楠物理与信息工程学院指导老师：雷海东物理与信息工程学院摘要DDS是一项关键的数字化技术，直接数字合成(DDS)频率源由于频率分辨率高、变换速度快，在通信、遥感测量、雷达等领域具有广阔的应用前景，但DDS合成频率比较低且输出频谱杂散较大，又限制了其应用。所以就采用一种小型数字比相测量装置，包括DDS分频处理模块，DDS分频处理模块的处理的被测信号和参考时钟信号连续到相位差采集器，相位差采集器信号连续到微处理器，微处理器比相位信号输入到积分电路及A/D模块。采用片内集成有A/D模块的LPC930系列单片机，以及现行比较成熟的DDS技术构建数字化比相测量装置。LPC930系列单片机具有的良好特性。而目前比较成熟的数字化DDS频率信合成处理技术使得输出信号具有良好的信噪比。概述了DDS的具体应用领域，并论述了国内外的DDS的发展现状。关键词：直接数字频率合成器；DDS；微处理器；A/D；LPC9302AbstractDDSisakeytechnologyofdigital，DirectDigitalSynthesis(DDS)frequencysourcebecausethehighfrequencyresolution,fasttransform,incommunications,remotesensing,radarandotherfieldshasbroadapplicationprospects，ButthefrequencysynthesisDDSoutputspectrumisrelativelylowandlargespurious,butalsolimitsitsapplication.Sotoopenasmallnumberofdevicesthanthephasemeasurement,IncludingtheDDSfrequencyprocessingmodule,DDSfrequencyprocessingmoduleprocessingthemeasuredsignalandthereferenceclocksignaltothecontinuousphaseacquisition,Continuoussignalacquisitionphasetothemicroprocessor,ThanthephasesignalinputtothemicroprocessorintegratorandA/Dmodule.Integratedwithon-chipA/DmoduleLPC930MCU,AndtheexistingDDStechnologytobuildmorematurethanthedigitalphasemeasuringdevices.LPC930MCUhasthegoodcharacteristics.Atpresent,thenumberofmaturesynthesisofDDSfrequencychanneloutputsignalprocessingtechnologymakesagoodsignaltonoiseratio.DDSoutlinedspecificareasofapplications,anddiscussesthecurrentdevelopmentathomeandabroadDDS.Keywords：Directdigitalfrequencysynthesizer;DDS;microprocessor;A/D;LPC9303第一章绪论1.1DDS模块的概述传统的比相仪是由一个比相电路和一个机械记录仪组成，存在着精度不高，操作数据记录不方便，体积大等问题。近二十年来，随着数字集成电路和微电子技术的发展，出现了一种新的频率合成技术——直接数字合成（DirectDigitalSynthesize）技术。DDS的出现导致了频率合成领域的第二次革命。DDS具有相对带宽很宽、频率捷变速率快、频率分辨率高、输出相位连续、可输出宽带的正交信号、可编程、全数字化和便于集成等优越性能。1971年，美国学者提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一中新的频率合成原理，称之为直接数字频率合成器(DDS)。这是频率合成技术的一次重大革命，但限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS并没有得到足够的重视。随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展，使得数字频率合成技术得到了质的飞跃，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是由于DDS数字化实现的固有特点，决定了其输出频谱杂散较大，从20世纪80年代末开始通过深入的研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后，对DDS相位累加器进行了改进，ROM数据进行了压缩，使用了抖动注入技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进。但工艺的完善并没有彻底解决DDS中DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有缺陷，而这些问题还会随着温度变化和电路工艺引入的数字噪声等发生随机变化，它们所带来的输出信号频谱质量劣化很难改善。近几年来，随着DDS技术的不断完善和发展，其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高，出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能，应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域。1.2DDS模块的发展历史20世纪80年代以来各国都在研制和发展各自的DDS产品，如美国QUALCOMM公司的Q2334，STANFORD公司的STEL一1180，AD公司的AD9854，美国Fluke公司的F一6060B等等。而国内也有很多厂家在生产数字频率合成器，但与国外的同类型产品相比较，技术指标上还有很大的差距。例如：北京科奇公司的KH1460型信号发生器输出频率5kHz～50MHz，最小分辨率达0．1Hz；南京新联电子的EEl411C4输出频率为0．01Hz～10MHz，最小频率分辨率达0．01Hz；上海爱仪的AS1051S频率输出范围0．1Hz～150MHz，具有信号失真小，输出稳幅，轻巧美观的特点。国外的数字频率合成器技术已经达到十分先进的水平，许多著名电子公司己研制出品质优越的数字信号合成器。20世纪80年代至今，DDS的发展在国外已经有了翻天覆地的变化。除了以上所提到过的那些老牌公司，现在世界各国又投入了相当大的生产力以及一些欣欣公司的诞生。目前FairchildData，Harris，Plessy，Qualcomm，Sciteq以及Stanfordrelecom等等。市场上性能优越的DDS芯片也层出不穷，Qua]一comm公司推出了DDS系列Q2220，Q2230，Q2334，Q224o，Q2368，其中Q2368的时钟频率130MHz，分辨率0．03Hz，杂散一76dBc，变频时间0．1Ps；Sciteq公司推出了系列化的DDS产品，其中ADS一431，时钟频率1．6GHz，可正交输出，分辨率1Hz，杂散一45dBc，变频时间30ns；美国AnalogDevice公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850，AD9851，可以实现线性AD9852，两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS产品全部内置了D／A变换器，称为Complete—DDS。其中AD9854时钟频率达到30MHz，近端杂散抑制优于一80dBc，远端优于一48dBc，相位噪声一148dBc／Hz，频率跳变速度130ns，频率分辨率1Hz。随着这些年来我国对超大规模集成电路的重视以及各大院校研究所的努力，相继出现了许多DDS方面的研究论文，走上了逐步发展的道路，但是在这些大量的文献之中主要是运用DDS去实现许多良好的功能或者是对其性能指标作详细的分析再加以改进提高，然而几乎是没有关于如何设计DDS芯片或者是有自己的DDS芯片诞生，因此我国在DDS的研究上与国际水平还是有很大的差距。随着近几年来我国芯片产业的快速发展，对DDS的研究已经有了突破j生的进展。以上所述大都是基于ROM查询法，而我国利用自主知识产权的DACIP核设计和电路高速工作的设计技术，研发出0．35工艺硅(Si)基CMOS方式，2GHz合成时钟频率的ROM—Less直接数字频率合成芯片¨。又从原理分析到芯片设计及流片验证完整地研发出融人过采样Σ／△技术的新型高分辨率直接数字频率合成芯片，该工作受到国际同行的重视与好评。表2为我国研制的DDS芯片与国际同类先进产品的较近年来随着GSM，GPRS，3G，B1ueTooth乃至已经提出标准的4G等移动通信以及LMDS、无线本地环路等无线接人的发展，同时加上合成孔径雷达、多普勒冲雷达等现代军事、国防、航空航天等在科技上的不断创新与进步，世界各国非常重视频率合成器的发展。所有的这些社会需求以及微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的5不断进步都极大刺激了频率合成器技术的发展。可以预料，随着低价格、高时钟频率、高性能的新一代DDS芯片的问世，DDS的应用前景将不可估量，我国正朝着这个方向逐步前进!1.3目的和意义与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。在各行各业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的作用。但信号源具有许多不同的类型，不同类型的信号源在功能和特性上各不相同，分别适用于许多不同的应用。目前，最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。目的就是在于提供一种小型数字化的比相测量装置以解决传统的比相仪存在精度不高，操作，数据记录不方便，体积庞大等问题。由于对各种高精度频率源的长期特性进行评估测量因而涉及到一种数字化的鉴相测量装置。6第二章DDS模块2.1DDS的简介DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。另外，有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A变换器图1AD70082.2DDS的原理直接数字频率合成的理论依据是时域抽样定理，即一个频带限制在(0，fc/2)Hz范围内的时间信号f(t)，如果以Tg=1/fc秒的间隔对它进行等间隔抽样，则信号将被所得到的抽样值完全确定。也就是说，此信号f(t)可以由其采样值完7全恢复过来。DDS正是基于这样一个原理而形成的，它将一个阶梯化的信号(即采样信号)通过一个理想的低通滤波器，就得到原始的连续信号f(t)。DDS的工作原理框图如图2所示，DDS系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似一个简单的计数器。加法器将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的