直接数字频率合成技术在信号发生器中的应用研究

摘 要：利用直接数字频率合成技术设计信号发生器，输出的信号频率分辨率高、相位信息连续、频率转换的时间短、可靠性高等优点。系统以单片机和DDS芯片为核心，采用高性能的单片机实现整个电路的控制。本文介绍了DDS的典型结构，根据需求选择性价比较高的DDS芯片AD9852。最后给出DDS信号源设计的结构图。本系统通过软件编程和较少的辅助电路实现信号发生器的功能。

关键词：直接数字频率合成技术 单片机 DDS芯片

中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-00-02

信号发生器又称信号源，是一种能提供各种频率和幅度波形电信号的设备。在现代生产实践和科技领域中有着广泛的应用。随着科技的发展，在电子测量和通信仪表等领域往往需要高精度高穩定性的信号源。目前，频率合成器已经走向数字化和智能化，技术指标越来越高，被广泛应用于现代电子系统中。早期发展的直接频率合成技术是通过对高稳定的基准频率进行分频、混频、倍频等最终产生所需要的频率，但是该方法缺点是结构比较复杂，不容易大规模集成[1]。到了20世纪50年代，出现了锁相式频率合成技术，并很快得到广泛的应用[2]，但输出频率受VCO可变频率范围的影响，而且锁相环具有锁定时间，所以频率转换速度相对比较慢。近年来发展起来的直接数字频率合成技术（DDS），应用比较广泛，它是一种全数字频率合成技术，直接从数字域出发基于查找表最终合成所需的频率[3]。DDS输出信号的频率分辨率高、相对带宽较宽、相位信息连续、转换的时间短、便于集成且可靠性高[4，5]。

1 典型DDS结构

DDS作为一种新的频率合成技术，它直接利用信号的相位信息来合成所需的波形。图1是DDS典型的系统结构框图，整个系统包含相位累加器（Phase Accumulator）、D/A转换器（Digital-to-Analog Converter）、波形存储器（Waveform Memory）、低通滤波器（Low-Pass Filter）以及参考时钟（Reference Clock）这几部分[6]。

在统一的参考时钟控制下，在相位累加器中利用数字方式对相位信息进行累加，从相位累加器输出信号信息的相位序列，同时输入波形存储器作为其查询地址，通过内部的查找表查询出二进制编码，于是得到信号相应的波形幅度值。由波形存储器输出的波形幅度值经过D/A转换器进行转换后，就将数字量转换为模拟量，即信号所对应的正弦数字量信息就转换成了所需频率的模拟信号。经过D/A转换器输出的包络为阶梯状的正弦波信号经过低通滤波器滤波后，输出所需频率的波形信号。

2 DDS芯片

由于基于直接数字频率合成技术的信号源具有频率稳定度和准确度高并且速度快的特点，我们考虑基于DDS技术的信号源设计。目前DDS芯片性能优越，款式多，功能强大，被广泛应用于通信、仪表仪器等很多领域中。在选择DDS芯片型号上需结合系统需求综合考虑各芯片的性能指标。经调研，ADI公司推出的DDS系列产品应用广泛，且性价比较高。ADI的DDS系列芯片内部都集成了DDS核心结构：相位累加器、波形存储器和D/A转换器等，作为完整的DDS可独立完成DDS的基本功能。

以ADI公司生产的认知度较高的一款DDS芯片AD9852（ASVZ）为例介绍[7]，在单片机的控制下，AD9852利用内部集成的DDS技术可以产生频率、幅度以及相位可编程的正弦波信号，AD9852有5种工作模式，可以实现单频、线性扫频以及跳频等功能。AD9852的输出频率f0、频率控制字FTW以及参考时钟频率fc的存在关系：FTW= （f0×248）/fc。AD9852最高系统时钟为300MHz，输出频率可达DC-120MHz，频率分辨率量级可达1µHz。

3 DDS信号源总体结构图

图2是DDS信号源总体结构图，主要包含电源、单片机、参考时钟、DDS芯片等这几个部分。

系统采用高性能的单片机对高性能的、可编程的DDS芯片等整个电路的控制。DDS信号源可以采用外部接入高稳定性的参考时钟作为参考源，最后DDS芯片输出端经过低通滤波器直接得到所需的波形。

参考文献

[1]林静宜.基于DDS的多模式信号发生器的设计与实现[D].华中科技大学，2007.

[2]何其波.低相噪PLL频率合成器的研制[D].华中科技大学，2013.

[3]J. Tierney， C. M. Rader，B. Gold. A digital frequency synthesizer[J].Audio and Electroacoustics，1971，19（1）： 48.

[4]Caro D D ， Strollo A G M . High-performance direct digital frequency synthesizers using piecewise-polynomial approximation[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers，2005，52（2）：324-337.

[5]臧芸妍.VHF频段DDS频率合成器的杂散抑制策略[J]. 现代电子技术，2013（7）：76-79.

[6]Peng C Y ， Ma X C ， Yan S F ， et al. Generation of linear frequency modulation signal with reduced round-off error using pulse-output direct digital synthesis technique[J].Review of Scientific Instruments， 2014， 85（2）：025106.

[7]AD9852 Datashee[Z].Analog Devices Inc.， 2004.