在許多種設(shè)備中，重要的是生產(chǎn)并容易控制各種頻率和輪廓的精確波形。例子包括具有低相位噪聲和低通信信號(hào)含量的敏捷頻率源，以及簡(jiǎn)單地為工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生的頻率刺激。在這些應(yīng)用中，能夠方便且經(jīng)濟(jì)地生成可調(diào)波形的能力是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。

已經(jīng)使用了各種方法，但最靈活的方法是直接數(shù)字合成器 （DDS）。 DDS芯片或直接數(shù)字合成器產(chǎn)生模擬波形 - 通常是正弦波，但三角波和方波是固有的 - 通過(guò)以數(shù)字形式生成時(shí)變信號(hào)然后執(zhí)行數(shù)字 - 模擬（D / A）轉(zhuǎn)換。 DDS器件主要是數(shù)字設(shè)備，因此它們可以在輸出頻率，精細(xì)頻率分辨率和廣泛頻率范圍內(nèi)的操作之間快速切換。

隨著設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的進(jìn)步，今天的DDS設(shè)備非常緊湊并且消耗很少的力量。目前可用的DDS設(shè)備可以生成從1 Hz到400 MHz（基于1 GHz時(shí)鐘）的頻率，時(shí)間分辨率為48位。使用新工藝技術(shù)的低成本 - 結(jié)合DDS本身卓越的性能和數(shù)字（重新）編程輸出波形的能力 - 使得DDS方法與更加分散且不太靈活的傳統(tǒng)解決方案相比極具吸引力。多通道DDS器件，例如2通道AD9958和4通道AD9959，允許在空間受限系統(tǒng)中獨(dú)立編程多達(dá)4個(gè)固有同步輸出（例如，相控陣?yán)走_(dá)/聲納，ATE，醫(yī)學(xué)成像和光學(xué)我們的目標(biāo)是讓讀者了解DDS在現(xiàn)有應(yīng)用中的一些重要用途，并深入了解DDS設(shè)備為這些和其他設(shè)備帶來(lái)的主要優(yōu)勢(shì)。潛在的應(yīng)用。目前，使用DDS的兩種主要應(yīng)用形式是通信中的波形生成 - 以及行業(yè)和生物醫(yī)學(xué)中的信號(hào)分析。典型的其他用途包括電子物品監(jiān)視（EAS）和聲納浮標(biāo)系統(tǒng)中的海事應(yīng)用。

通信系統(tǒng)中存在重要的應(yīng)用，這些通信系統(tǒng)需要靈活的頻率源，具有低相位噪聲和雜散，并且與DDS相結(jié)合，具有出色的頻率調(diào)諧分辨率和頻譜性能。通信中使用的其他典型DDS包括生成用于WDM光信道識(shí)別的導(dǎo)頻信號(hào)，用于鎖相環(huán)（PLL）的增強(qiáng)可調(diào)參考頻率，作為本地振蕩器，或甚至用于直接傳輸。

在信號(hào)分析類(lèi)別中，許多工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)使用DDS以可輕松調(diào)節(jié)的頻率和相位數(shù)字生成可編程波形，而無(wú)需更換任何外部元件，傳統(tǒng)波形發(fā)生器通常就是這種情況。簡(jiǎn)單的頻率調(diào)整可用于定位共振或補(bǔ)償溫度漂移。 DDS可用作測(cè)量傳感器阻抗的靈活頻率激勵(lì)，或用于為微致動(dòng)器生成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，或用于檢查L(zhǎng)AN或電話線中的衰減。

工業(yè)和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用< / h3>

信號(hào)發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)分析：當(dāng)今電子產(chǎn)品中的許多應(yīng)用都涉及數(shù)據(jù)信號(hào)處理，模擬測(cè)量，光纖和高頻通信的數(shù)據(jù)采集和解碼。

這類(lèi)應(yīng)用涉及激勵(lì)具有已知幅度和相位頻率的電路或系統(tǒng)，并分析響應(yīng)的特征以提供關(guān)鍵系統(tǒng)信息。 “正在分析的網(wǎng)絡(luò)”（圖1）可以是從一定長(zhǎng)度的電纜到測(cè)量/傳感器系統(tǒng)的任何東西。典型的要求是將響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)的相位，頻率和幅度進(jìn)行比較。

激勵(lì)需要一系列頻率，DDS芯片恰到好處，因?yàn)榇碳ゎl率，相位和幅度可以通過(guò)非常緊密的分辨率進(jìn)行軟件控制。

系統(tǒng)通過(guò)將具有已知頻率，幅度和相位的信號(hào)應(yīng)用于圖2中的網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)V1（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，顯示為無(wú)源電路）來(lái)工作。點(diǎn)V2處的信號(hào)的幅度和相位將根據(jù)不同而變化。網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。信號(hào)V2和V1之間的時(shí)間差允許用戶計(jì)算相移，并且幅度的變化將給出相對(duì)幅度偏移。它們的頻譜差異可以提供失真度量。了解被測(cè)系統(tǒng)的相位和幅度響應(yīng)，可以計(jì)算其傳遞函數(shù)。

這些應(yīng)用中使用的典型頻率往往為0 kHz至200 kHz，在DDS頻率處理范圍的低端。對(duì)于某些應(yīng)用，一個(gè)已知頻率的突發(fā)提供了足夠的信息;但是對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，需要在網(wǎng)絡(luò)上掃描一系列已知頻率并分析多個(gè)頻率的相位/幅度數(shù)據(jù)。單個(gè)DDS芯片提供整個(gè)頻率生成功能，為用戶提供了數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)控制所需頻率的極大靈活性。由于不需要外部組件，用戶只需要通過(guò)其SPI接口寫(xiě)入DDS。 DDS的輸出相位通常可通過(guò)10位至14位分辨率進(jìn)行控制，可編程相位分辨率<0.1度。

在圖2系統(tǒng)中，使用AD9834 DDS芯片作為系統(tǒng)的模擬刺激。它由50 MHz晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)。 AD9834的頻率分辨率為28位，允許將頻率控制在0.2 Hz左右。 DDS輸出幅度由外部對(duì)地電阻控制;外部增益級(jí)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

由電阻器RL加載的輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)低通RC濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻帶限制，濾除時(shí)鐘頻率，圖像和更高頻率。緩沖放大器驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，此處由LRC電路表示。參考信號(hào)連接到雙通道同步采樣ADC的通道1（例如12位，1-MSPS，雙通道AD7866）;響應(yīng)信號(hào)應(yīng)用于ADC的通道2.

用作系統(tǒng)控制器的數(shù)字信號(hào)處理器控制DDS和ADC采樣。 DSP通過(guò)簡(jiǎn)單的算術(shù)或FFT，DFT或?qū)Ｓ?a target="_blank">算法處理系統(tǒng)的處理要求，還可以控制系統(tǒng)的任何必要的幅度和相位校準(zhǔn)。

其他應(yīng)用

在許多其他應(yīng)用中可以使用類(lèi)似的方法，其變化取決于所采用的物理和電路。例子包括提供用于測(cè)試LVDT（線性可變差動(dòng)變壓器）的頻率掃描;使用電容傳感器進(jìn)行接近感應(yīng);使用平衡線圈檢測(cè)金屬;使用化學(xué)傳感器測(cè)量血液;使用超聲波傳感器測(cè)量流量和電子商品監(jiān)控（EAS） - 防止入店行竊 - 使用RF響應(yīng)標(biāo)簽。

通信中的DDS

經(jīng)典地，在考慮新頻率合成器的設(shè)計(jì)時(shí)，有兩種基本方法一直很常見(jiàn)：鎖相環(huán)（PLL）和直接數(shù)字合成。選擇并不總是明確的;通常，設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行權(quán)衡或設(shè)計(jì)額外的電路來(lái)彌補(bǔ)所選技術(shù)的弱點(diǎn)。

然而，既然PLL和DDS電路都可用作低成本元件，那么考慮設(shè)計(jì)一種結(jié)合兩種技術(shù)的混合電路正在變得切合實(shí)際，從而消除了折衷。設(shè)計(jì)人員可以利用這兩種方法獲得優(yōu)于單個(gè)PLL或DDS設(shè)計(jì)的整體解決方案。我們將討論具有以下優(yōu)點(diǎn)的方法：

精細(xì)頻率分辨率

快速切換動(dòng)作

快速建立時(shí)間

寬帶寬

功耗極低

低相位噪聲和雜散噪聲

這里將討論兩種不同的PLL / DDS混合頻率合成器--DDS為PLL提供精細(xì)可調(diào)參考，以及由DDS產(chǎn)生的本振（LO）頻率產(chǎn)生內(nèi)部偏移的PLL。

PLL的精細(xì)可調(diào)參考：< / strong>圖3顯示了一個(gè)鎖相環(huán)頻率合成器，其參考頻率由DDS的濾波輸出產(chǎn)生。通過(guò)使用混合解決方案，DDS的調(diào)諧分辨率可以將整個(gè)系統(tǒng)的可調(diào)性提高到單獨(dú)使用PLL所不能達(dá)到的水平。

在本例中，PLL由整數(shù)N ADF4106組成。頻率合成器，外加環(huán)路濾波器和VCO。此配置允許設(shè)計(jì)人員選擇滿足頻率條件的VCO和環(huán)路濾波器以滿足應(yīng)用需求。該參考電壓由AD9834 DDS產(chǎn)生，后接一個(gè)濾波器和可選的匹配分頻器，用于降低噪聲和雜散。

DDS具有28位調(diào)諧字，允許對(duì)參考頻率進(jìn)行非常窄的調(diào)諧，從而比使用小數(shù)N分頻PLL更方便地調(diào)整輸出頻率。

例如，如果VCO的頻率范圍為100 MHz至500 MHz，并且DDS輸出位于5 MHz附近，則N的范圍為20至100. N的每一步結(jié)果為5 -MHz輸出頻率步長(zhǎng)（100 MHz，105 MHz，110 MHz等）但是，只需調(diào)整寫(xiě)入頻率寄存器的十六進(jìn)制數(shù)，即可以小幅增加AD9834的輸出。 AD9834可以以小至0.2 Hz的增量進(jìn)行調(diào)諧，時(shí)鐘頻率為50 MHz。這樣可以非常精細(xì)地調(diào)制混合PLL / DDS。

理想情況下，參考將具有低相位噪聲和雜散音調(diào)。 DDS輸出確實(shí)具有低相位噪聲，但其雜散內(nèi)容可能需要在某些頻率下進(jìn)行尋址。雜散是由于相位累加器之后的截?cái)啵@導(dǎo)致在特定采樣/輸出頻率組合處的雜散含量增加。這些雜散可以通過(guò)額外的濾波和仔細(xì)選擇采樣計(jì)劃來(lái)最小化。

如果切換速度不重要，可以使PLL帶寬極窄，以排除參考雜散;那么相位噪聲和雜散僅限于VCO。如果VCO是干凈的，這可能是獲得具有寬帶寬，高分辨率，良好雜散噪聲，小尺寸和極低功率的合成器的最簡(jiǎn)單方法，盡管頻率之間的切換速度很慢。

為了利用DDS的快速切換能力以及高分辨率，需要更寬的PLL環(huán)路帶寬 - 使濾波器和可選分頻器對(duì)低噪聲和雜散非常重要。請(qǐng)注意，PLL會(huì)增加寄生音的幅度，但不會(huì)增加它們與參考頻率的偏移。因此，圖3中的濾波器必須將DDS產(chǎn)生的雜散音和噪聲限制在窄帶寬內(nèi)。頻率乘以N后，噪聲和雜散音將增加20 log（N），但僅在濾波器帶寬內(nèi)。最終，濾波器帶寬和中心頻率的選擇是開(kāi)關(guān)速度，噪聲性能和連續(xù)頻率覆蓋需求之間的權(quán)衡。

具有內(nèi)部偏移的PLL DDS產(chǎn)生的頻率：圖4顯示了一個(gè)鎖相環(huán)合成器，其內(nèi)部偏移頻率由DDS產(chǎn)生。

該電路使用精確設(shè)置的DDS頻率調(diào)制本地振蕩器頻率，產(chǎn)生和/差頻率，當(dāng)濾波時(shí)，調(diào)制參考頻率，產(chǎn)生輸出頻率，

這類(lèi)似于多回路合成器設(shè)計(jì)，除了罰款 - 頻率步進(jìn)PLL環(huán)路由單個(gè)DDS代替。與具有許多環(huán)路的PLL相比，該混合頻率合成器中DDS的精細(xì)頻率分辨率可以提供更好的頻率分辨率。

PLL提供粗調(diào)步驟，如前所述，PLL輸出頻率（使用本地振蕩器）具有與輸入?yún)⒖碱l率相同的基本分辨率， f REF 。 DDS在每個(gè)粗調(diào)步驟之間提供精細(xì)步驟，因此最終輸出步長(zhǎng)是DDS的步長(zhǎng)。使用具有50 MHz主時(shí)鐘的AD9834，可以實(shí)現(xiàn)0.2 Hz的步長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)編碼中的DDS

因?yàn)镈DS設(shè)備可以輕松調(diào)整頻率和相位，它們?cè)趯⑾辔缓皖l率調(diào)制數(shù)據(jù)編碼到載波上時(shí)特別有用。以下是兩個(gè)相關(guān)的應(yīng)用程序，可以追溯到無(wú)線電報(bào)的早期階段。

FSK編碼：二進(jìn)制頻移鍵控 （FSK）是最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼形式之一。通過(guò)將連續(xù)載波的頻率移位到兩個(gè)離散頻率中的一個(gè)或另一個(gè)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)（二進(jìn)制操作）。一個(gè)頻率（f 1 ）被指定為“標(biāo)記”頻率（二進(jìn)制一個(gè)）而另一個(gè)頻率（f 0 ）被指定為“空間” “頻率（二進(jìn)制零）。圖5顯示了數(shù)據(jù)和傳輸信號(hào)之間的關(guān)系。

這種編碼方案很容易使用DDS實(shí)現(xiàn)。表示輸出頻率的DDS頻率調(diào)諧字改變，以便與要發(fā)送的1和0的模式同步地產(chǎn)生f 0 和f 1 。用戶在發(fā)送之前將對(duì)應(yīng)于所選頻率的調(diào)諧字編程到設(shè)備中。對(duì)于AD9834，可以方便地使用兩個(gè)頻率寄存器進(jìn)行FSK編碼。器件上的專(zhuān)用引腳（FSELECT）用于選擇與相應(yīng)調(diào)諧字對(duì)應(yīng)的頻率寄存器。圖6中的框圖演示了FSK編碼的實(shí)現(xiàn)。

PSK編碼：相移鍵控（PSK）是另一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼形式。在PSK中，當(dāng)載波頻率保持不變時(shí)，發(fā)送信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生變化以傳送信息。

有各種方案可用于完成PSK。最簡(jiǎn)單的方法，僅使用兩個(gè)信號(hào)相位-0°和180° - 通常稱為二進(jìn)制PSK （BPSK）。 0°對(duì)應(yīng)于邏輯1，180°對(duì)應(yīng)于邏輯0.接收的每個(gè)位的狀態(tài)根據(jù)前一位的狀態(tài)確定。如果波的相位沒(méi)有改變，則信號(hào)狀態(tài)保持不變（低或高）。如果波的相位反轉(zhuǎn)，即改變180°，則信號(hào)狀態(tài)改變（從低到高，或從高到低）。

用DDS產(chǎn)品很容易實(shí)現(xiàn)PSK編碼。大多數(shù)器件都有一個(gè)獨(dú)立的輸入寄存器（相位寄存器），可以加載相位值。該值直接添加到載波的相位而不改變其頻率。改變?cè)摷拇嫫鞯膬?nèi)容可調(diào)制載波的相位（從而產(chǎn)生PSK輸出信號(hào)）。對(duì)于需要高速調(diào)制的應(yīng)用，AD9834允許使用專(zhuān)用輸入引腳（PSELECT）選擇預(yù)加載的相位寄存器;切換此引腳可根據(jù)需要調(diào)制載波。

可以使用其他相位角。更復(fù)雜的PSK形式采用四個(gè)或八個(gè)不同的階段。這允許二進(jìn)制數(shù)據(jù)以比BPSK調(diào)制可能的更快的每相位變化速率傳輸。例如，在四相調(diào)制中，正交PSK （QPSK），可能的相角為0°，+ 90°，-90°和180°;每個(gè)相移可以代表兩個(gè)數(shù)據(jù)位。 AD9830，AD9831，AD9832和AD9835提供四個(gè)相位寄存器，通過(guò)不斷更新寄存器的不同相位偏移，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的相位調(diào)制方案。

Sonobuoy應(yīng)用程序：DDS在 sonobuoy 通信中非常有用。聲納浮標(biāo)是一種位于水中并捕獲海洋環(huán)境聲音的設(shè)備。聲納浮標(biāo)的常見(jiàn)應(yīng)用是地震事件和水下目標(biāo)（如潛艇和鯨魚(yú)）的探測(cè)，定位，識(shí)別和跟蹤。聲納浮標(biāo)陣列可用于確定目標(biāo)位置，速度和方向。

聲納浮標(biāo)有四個(gè)主要組成部分：浮子，無(wú)線電收發(fā)器，電池和水聽(tīng)器。水聽(tīng)器是一種水下傳感器，可將聲壓波轉(zhuǎn)換為電壓，然后將其放大并送到地面浮子上。無(wú)線電信號(hào)由天線和無(wú)線電接收器拾取，通常在飛機(jī)或船上。

主動(dòng)聲納波聲傳輸聲波，從物體反彈。可以從反射信號(hào)確定到物體的距離和方向。換能器用于將聲波引入水中并操縱返回回波，然后將其放大以用于VHF無(wú)線電傳輸。被動(dòng)聲納浮標(biāo)不會(huì)發(fā)出任何聲音;他們只是坐著聽(tīng)著傳入的聲音。在這兩種情況下，數(shù)據(jù)通常使用擴(kuò)頻通信傳輸回船舶或飛機(jī)，其中頻率快速跳躍以便類(lèi)似于隨機(jī)噪聲。 DDS通常用于在發(fā)送和接收部分提供跳頻。

AD9834非常適合作為發(fā)送器中的敏捷頻率源聲納浮標(biāo)的一部分（圖7）。傳輸?shù)牡湫皖l率為136 MHz至174 MHz。

用于GPS定位的典型接收器的方框圖如圖8所示。

聲納浮標(biāo)的接收部分由GPS天線組成，低 - 噪聲放大器和下變頻前端級(jí)。下轉(zhuǎn)換由DDS驅(qū)動(dòng)。對(duì)來(lái)自前端的信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并將得到的數(shù)據(jù)流（包含天線范圍內(nèi)所有GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)）傳遞給相關(guān)器進(jìn)行擴(kuò)頻處理。相關(guān)過(guò)程的輸出由CPU轉(zhuǎn)換，以提供聲納浮標(biāo)的坐標(biāo)。

由于其微調(diào)功能，DDS為發(fā)射器和接收器提供了優(yōu)勢(shì)。 AD9833 / AD9834的低功耗（25 mW）和低成本使其成為電池供電的一次性應(yīng)用（如聲納浮標(biāo)）的理想解決方案。

光纖通道識(shí)別：使用光纖通過(guò)光纖進(jìn)行通信，與銅芯技術(shù)相比，帶寬和容量大大增加。通過(guò)使用波分復(fù)用（WDM）可以相對(duì)較低的成本提供的多個(gè)信道，容量進(jìn)一步提高。

WDM涉及組合來(lái)自各種同時(shí)輸入數(shù)據(jù)流的單獨(dú)光波長(zhǎng)（顏色），并通過(guò)單根光纖傳輸這些信道的總和（“白”光）。可以在同一鏈路中混合使用不同的協(xié)議。在接收端，光被分離成其分量并被解調(diào)。

雖然所有信號(hào)同時(shí)發(fā)送，但是需要識(shí)別信號(hào)源自哪個(gè)信道。區(qū)分信道的一種方法是向每個(gè)信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)添加具有可識(shí)別參數(shù)（例如幅度，頻率，相位等）的導(dǎo)頻信號(hào)。在光發(fā)射器中，通過(guò)改變流過(guò)激光二極管的電流來(lái)增加導(dǎo)頻信號(hào)。圖9顯示了這是如何完成的。

ADN2847激光二極管驅(qū)動(dòng)器的工作速率介于50 Mbps和3.3 Gbps之間。 IDTONE上的外部吸收電流，用于WDM中的光纖識(shí)別，在最小Imod的2％到最大Imod的10％的可能范圍內(nèi)調(diào)制光學(xué)級(jí)別。 AD9834通過(guò)控制500歐姆電阻上的電壓來(lái)產(chǎn)生調(diào)制波形并控制IDTONE的電流吸收。反饋調(diào)制電流的IMMON上的直流電流用于反饋環(huán)路，通過(guò)其R SET 引腳控制AD9834輸出電平。

結(jié)論

直接數(shù)字合成，可生成具有數(shù)字可調(diào)高分辨率相位和頻率的模擬波形，適用于測(cè)試，測(cè)量和通信中的各種應(yīng)用。集成電路DDS器件結(jié)構(gòu)緊湊，功耗和空間小，成本低，易于應(yīng)用。