DDS 基本原理和特点

1、DDS 基本原理

直接频率合成技术实际上是通过将存储的波形数据,通过特定算法,经过高速 D/A 转换器转换成所需要模拟信号的数字合成技术。其基本原理框图如图 1 所示。

 

 

由图 1 可见,其主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储器、数/模转换器等部分组成。其中,参考频率源一般是一个高稳定的晶体振荡器,其输出信号用于 DDS 中各部件同步工作。当频率合成器正常工作时,在标准频率参考源的控制下(频率控制字 K 决定了其相位增量),相位累加器则不断地对该相位增量进行线性累加,当相位累加器积满量时就会产生一次溢出,从而完成一个周期性的动作,即合成信号的一个频率周期。累加器的输出地址对波形 ROM 进行寻址,从而把存储在相位累加器中的抽样值转化成对应的正弦波幅度序列。通过高速 D/A 变换把数字量变成模拟量,经过低通滤波器进一步平滑并滤掉带外杂散,得到所需的波形。

 

2、DDS 实现的正弦信号分析

理想 DDS 的输出频谱就是指不存在相位舍入误差、幅度量化误差和 DAC 误差时,系统输出的频谱。这时,整个 DDS 系统就相当于理想的采样保持电路。其输出信号的频谱结构是以 Sa(·)函数为包络的一组离散谱线,如图 2(所选 fc=200 MHz,fo=40 MHz)所示,只在 f=nfc±fO=(n±K/2N)fc 处存在离散谱线。

 

 

DDS 芯片——AD9854

AD9854 数字合成器是 AD 公司的一款高度集成的 DDS 器件,其内部集成了双 48 位频率累加器,双 48 位相位累加器,正余弦波形表,双 12 位正交数模转换器,双 12 位数字倍增器,可编程的基准时钟倍增器以及调制和控制电路,能够在单片机上实现频率调制、相位调制,可编程的幅度调制以及 I,Q 两路正交调制等多种功能。当 AD9854 作为一个精确的时钟源时,它能产生高稳定度,频率一相位一幅度均可编程的正弦和余弦输出。其主要特点有:

 

工作频率高 其工作频率高达 300 MHz,其电路结构允许产生频率达到 150 MHz 的同时正交输出信号。相位截断到 17 位保证了优良的无杂散信号动态范围(SFDR)。

 

频率分辨率高 其创新的高速 DDS 核提供了 48 位的频率分辨率(当 SYSCLK 为 300 MHz 时有 1μHz 的调节分辨率)。

 

可编程的基准时钟倍增器 AD9854 的可编程的 4&TImes;~20&TImes;的 REFCLK 倍增器电路在内部从一个低频的外部参考时钟产生 300 MHz 的系统时钟,节省了用户的花费,减小系统时钟源的难度。

 

内部集成高性能 DAC 两个 12 b/300 MHz 的 DAC 使输出信号的信噪比(SNR)满足要求。

 

简单的高速串、并行数据接口 并行口的数据传输速率达到 100 MHz,串行口也有 10 MHz 的速度,频率转换时间最低能达到 10 ns。

 

多种工作模式 有五种可编程的工作模式:单音调模式、非斜升 FSK、斜升 FSK、线性调频和 BPSK,在使用中可以根据不同的需要进行转换。

 

STM32 的 AD9854 DDS 模块调试

最近一段时间因为比赛需要自己制作信号源,于是在某宝上选用了 AD9854 DDS 模块,内部结构就不介绍了,手册上都有。该模块可以产生 I、Q 两路正交输出信号,即一路正弦一路余弦信号,还有一路比较器的输出信号,即方波信号。如果对输出信号幅度没要求的话也可以选择 AD9851 这个模块还是比较经典的。调试方法与 9854 类似。我采用的是串行通信模式,比较节省 IO 口。 首先,对 AD9854 进行初始化,根据手册中时序图进行代码编写,串行模式下 S/P 必须接低电平,其余功能 IO 口设置的输出输入分别为推挽输出模式和上拉输入模式。初始化程序:

[html] view plain copy《span style=“font-size:18px;”》void AD9854_Init_S(void)

{

AD9854_M_Reset_H();

AD9854_SP_L();

AD9854_SCLK_L();

AD9854_SDIO_L();

AD9854_IO_UD_CLK_L();

AD9854_CS_H();

AD9854_IO_Reset_H();

delay_int(10);

AD9854_M_Reset_L();

delay_int(10);

DATA[3]=0X00;

DATA[2]=0X4a; //10 倍频

DATA[1]=0X00;

DATA[0]=0X60;

AD9854_Send_Data(0x07,DATA);

}《/span》

 

其次,开始给寄存器对应地址写值,串行通信地址对应 0x00~0x0B,并行通信写地址方式与串行有所区别,具体参考手册。简单的频率幅度控制的话,关心的地址只有 0x02(I 通道频率控制地址) 0x03(Q 通道频率控制地址) 0x07(倍频地址) 0x08(I 通道幅度控制地址) 0x09(Q 通道幅度控制地址)。

 

寄存器写值先写低位,在写高位。

 

0X07 地址一共 4 个字节,写值为 DATA[3]=0X00;DATA[2]=0X4a;DATA[1]=0X00;DATA[0]=0X60;如果只修改倍频系数的话只需要修改 DATA[2]的值(范围 4-20 倍,实际最大 10 倍频),若要其他功能对照手册修改对应地址的值即可。 0x02 地址一共 6 个字节,100M 对应频率字为 DATA[0]=55;DATA[4]=55;DATA[3]=55;DATA[2]=55;DATA[1]=55;DATA[0]=55;换算为 16 进制数后 1M=940000000000;写值后只需进行移位送入对应地址,方便以后频率步进,扫频功能。0x03 同。有人就会问了:这里频率设置了为什么还要设置倍频系数呢?关于倍频系数,如果输出频率比较高,而倍频系数比较小的话,输出波形会失真,因此倍频系数根据你输出的频率要进行相应的设置。频率设置函数代码如下:

[html] view plain copy《span style=“font-size:18px;”》void AD9854_SetFre(long long fre) // 最高输入为 2^48

{

DATA[5]=(u8)(fre》》40);

DATA[4]=(u8)(fre》》32);

DATA[3]=(u8)(fre》》24);

DATA[2]=(u8)(fre》》16);

DATA[1]=(u8)(fre》》8);

DATA[0]=(u8)fre;

AD9854_Send_Data(0x02,DATA);

AD9854_Send_Data(0x03,DATA);

}// 若要 I、Q 输出不同频率,0X03 输入值重新定义个数组即可。《/span》

0x08 地址一共 2 个字节,经实测 10mV=450;幅度设置函数代码如下:

[html] view plain copyvoid AD9854_SetSine(u16 Shape)// 最高输入 2^16

{

unsigned char A[2]={0};

A[1]=Shape》》8;

A[0]=Shape&0XFF;

AD9854_Send_Data(0x08,A);

AD9854_Send_Data(0x09,A);

}// 若需两路不同幅度输出,参照上面频率控制。

 

这些步骤完成后,连线应该会输出你想要的信号,但是可能会出现恒定输出某个频率,并且波形很不光滑有许多台阶,无论如何修改倍频系数,输出不会发生改变,修改频率字输出波形也不会按照你想得那样变化。这个问题我整了好几天,真的很是无奈,要求外部 5V 供电,刚开始用电脑 USB 供电以为输入电流小而导致,后来改用稳压电源 5V 供电,电流 2A,还是没有任何改善,9854 模块上的 GND 与单片机的 GND 是接着的,后来才发现,两个 GND 之间存在电压差,并没有实现真正的共地,导致芯片工作不正常。

 

解决方法:外部 5V 供电的同时将 9854 模块上的 3.3V 供电也接到单片机上 3.3V 电压处,这样应该是构成了回路,GND 才实现了真正的共地,问题解决。 9854 这个模块还是很好用的,初始化时序没问题的话,只要在对应地址写值就可以实现你想要的输出了。并行通信的话,时序对了,跟串行地址写值稍微有点区别,也不难,参照手册即可。