引言

在現(xiàn)代雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中頻率源有著廣泛的應(yīng)用，是眾多應(yīng)用電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵因素之一，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能都直接依賴于所使用的頻率源的性能。隨著應(yīng)用頻率和精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的晶體振蕩器直接輸出頻率已不能滿足要求。因此，大量的頻率合成（FS，F(xiàn)requencySynthesis）技術(shù)得以廣泛的使用。頻率合成通過對(duì)一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定度和精確度的參考頻率源進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算得到所需的頻率。

頻率合成（FS）的方法很多，按其工作模式可以分為：模擬合成和數(shù)字合成兩種；按其實(shí)現(xiàn)的手段可以大致分為：直接合成和鎖相環(huán)合成兩種。目前應(yīng)用較多的頻率合成方式主要有：直接模擬合成，鎖相環(huán)合成（PLL，phaseLockedLoop）和直接數(shù)字合成（DDS，DigitalDirectSynthesis）。第1頁/共32頁第一頁，共33頁。

直接數(shù)字頻率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis簡稱DDS或DDFS）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(duì)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?。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器得到了飛速的發(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。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。第2頁/共32頁第二頁，共33頁。原理一個(gè)頻譜純凈的單頻信號(hào)可表示為

特性：相位是時(shí)間的線性函數(shù)。即第3頁/共32頁第三頁，共33頁。若對(duì)上述單頻信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為則可得離散的波形序列(n為自然數(shù)）第4頁/共32頁第四頁，共33頁。DDS的組成第5頁/共32頁第五頁，共33頁。參考時(shí)鐘：由一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生， 用它來同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分；相位累加器：完成相位的累加；正弦/余弦轉(zhuǎn)換：完成相位碼——幅度碼變換；DAC：將幅度代碼轉(zhuǎn)換成模擬電壓；低通濾波器：將階梯波轉(zhuǎn)換成所需模擬電壓。

各部分的作用第6頁/共32頁第六頁，共33頁。相位累加器組成K第7頁/共32頁第七頁，共33頁。

工作原理：類似于一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器就將頻率控制字Ｋ與相位寄存器中的數(shù)據(jù)相加。相位寄存器可以將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)將相位數(shù)據(jù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下進(jìn)行線性相位累加。當(dāng)相位累加器達(dá)到上限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是合成信號(hào)的一個(gè)周期，累加器的溢出頻率也就是ＤＤＳ的合成信號(hào)頻率。

第8頁/共32頁第八頁，共33頁。DDS的工作過程在參考時(shí)鐘ｆc的控制下，頻率控制字Ｋ送入相位累加器。用相位累加器的輸出作為正弦查找表的查找地址對(duì)正弦ＲＯＭ表進(jìn)行查找。ROM表中的每個(gè)地址代表一個(gè)周期的正弦波的一個(gè)相位點(diǎn)，每個(gè)相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化振幅值。因此，這個(gè)查找表相當(dāng)于一個(gè)相位／振幅變換器，它將相位累加器的相位信息映射成數(shù)字振幅信息。查找后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波；最后經(jīng)低通濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。

第9頁/共32頁第九頁，共33頁。DDS的性能分析1、輸出頻率相對(duì)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(duì)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(jí)，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

第10頁/共32頁第十頁，共33頁。DDS的性能分析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。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。第11頁/共32頁第十一頁，共33頁。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。DDS的性能分析第12頁/共32頁第十二頁，共33頁。DDS的局限性

（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。第13頁/共32頁第十三頁，共33頁。

DDS應(yīng)用舉例---AD9852第14頁/共32頁第十四頁，共33頁。AD9852的特性.帶有300MHz內(nèi)部時(shí)鐘;.可輸出FSK,BPSK,PSK,CHIRP,AM等信號(hào);.帶有兩個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器;.100MHz時(shí)具有80dBSFDR的動(dòng)態(tài)性能;.內(nèi)含4x到20x可編程參考時(shí)鐘倍頻器;.帶有兩個(gè)48位可編程頻率寄存器和兩個(gè)14位可編程相位偏移寄存器;.具有12位調(diào)幅及可編程整形功能;.帶有單引腳FSK和BPSK數(shù)據(jù)接口。.有10MHz的2線或3線SPI兼容串口接口和l00MHz8位并行接口。第15頁/共32頁第十五頁，共33頁?；驹淼?6頁/共32頁第十六頁，共33頁。簡易結(jié)構(gòu)框圖第17頁/共32頁第十七頁，共33頁。完整結(jié)構(gòu)框圖第18頁/共32頁第十八頁，共33頁。第19頁/共32頁第十九頁，共33頁。工作模式第20頁/共32頁第二十頁，共33頁。第21頁/共32頁第二十一頁，共33頁?？刂萍拇嫫鞯?2頁/共32頁第二十二頁，共33頁?？刂屏鞒?/p>

1)給系統(tǒng)上電,由微控制器向AD9852發(fā)出復(fù)位信號(hào),此信號(hào)需要至少保持10個(gè)參考時(shí)鐘周期的高電平。(2)設(shè)置S/PSELECT,選擇相應(yīng)的接口模式。(3)寫控制字,設(shè)置外部時(shí)鐘更新、工作模式、倍頻指數(shù)等，發(fā)出外部更新時(shí)鐘。(4)寫頻率控制字,然后發(fā)出外部更新時(shí)鐘,更新AD9852內(nèi)部控制寄存器。第23頁/共32頁第二十三頁，共33頁。電路板第24頁/共32頁第二十四頁，共33頁。

在頻率合成（FS）技術(shù)發(fā)展的歷史中，直接模擬合成技術(shù)是早期使用的一種較為廣泛的技術(shù)。直接模擬合成利用倍頻（乘法）、分頻（除法）、混頻（加減法）和濾波技術(shù)，從一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定度和精確度的參考頻率源產(chǎn)生所需的頻率。該方法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短（小于100ns），載頻相位噪聲好等。但缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備體積大、功耗大且易產(chǎn)生過多的雜散分量，頻譜純度不高，合成的正弦波的幅度、相位等參數(shù)難以控制。因此，直接模擬合成已逐漸不再使用。

三者性能比較第25頁/共32頁第二十五頁，共33頁。

目前使用最為廣泛的頻率合成技術(shù)就是鎖相環(huán)（PLL）合成技術(shù)。該技術(shù)利用鎖相環(huán)完成對(duì)參考頻率源的加、減、乘、除運(yùn)算，從而得到預(yù)期的頻率。鎖相技術(shù)具有良好的窄帶跟蹤特性，可以根據(jù)需要選擇頻率信號(hào)。相對(duì)于直接模擬頻率合成而言，鎖相環(huán)具有頻譜純度高，能有效抑制雜散分量且結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等特點(diǎn)。但是，鎖相環(huán)存在高分辨率和快速轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，故而一般用于大步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。

第26頁/共32頁第二十六頁，共33頁。典型應(yīng)用第27頁/共32頁第二十七頁，共33頁。頻率變化靈敏的時(shí)鐘發(fā)生器第28頁/共32頁第二十八頁，共33頁。靈敏的高頻合成器第29頁/共32頁第二十九頁，共33頁。可編程的“小數(shù)N倍分頻”合成器第30頁/共32頁第三十頁，共33頁。

預(yù)祝大家學(xué)有所成！謝謝！

第31頁/共32頁第三十一頁，共33頁。感謝您的觀看！第32頁/共32頁第三十二頁，共33頁。內(nèi)容總結(jié)引