文档介绍：同步技术实验报告
实验原理
DDS工作原理
DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)直接数字频率合成器,也可叫DDFS。DDS是从相位的概念直接合成所需波形的一种频率合成技术。不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位。
DDS是一种把一系列数字形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号合成技术。有两种基本合成方式:一种是根据正弦函数关系式,按照一定的时间间隔利用计算机进行数字递推关系计算,求解瞬时正弦函数幅值并实时的送入数/模变换器,从而合成出所要求的频率的正弦波信号,这种合成方式具有电路简单、成本低的特点,并且合成信号的频率分辨率可以做到很高;另一种就是利用硬件电路取代计算机软件运算过程,即利用高速存储器做查询表,通过高速数/模转换器产生已经用数字形式存入的正弦波,这是目前使用最广泛的一种直接数字频率合成方法。
根据奈奎斯特取样定理,对于任意一个频率带宽为的连续信号进行抽样, 只要这些取样值的时间间隔小于,则这样表示是包含连续信号的全部信息的。再对抽样后的信号进行量化,则原来的模拟信号就变成了一系列的数字序列。将这一系列的量化值通过一定的手段固化在只读存储器中,每个存储单元的地址即是对应的相位取样地址,存储单元的内容即是已经量化了的正弦波幅值。这样一个只读存储器就构成了一个与周期内相位取样相对应的正弦函数功能表。在一定频率的时钟信号的作用下,通过一个线性的计数时序数列发生器所产生的取样地址对已得到的正弦波形存储器进行循环扫描,近而周期性的读取存储器中的数据,其输出通过数/模转换器以及低通滤波器就可以合成一个完整的具有一定频率的正弦波了。

图表 1 技术的原理图
图1中的参考频率源是一个高稳定的晶振,其输出信号用于提供中各部件的同步工作。位数据锁存器用于接收外部控制器送来的频率控制参数,把这些数据送到位相位累加器中的加法器数据输入端,在外部信号未改变合成信号频率指令前,
位数据锁存器中的数据保持不变。相位累加器由位加法器与位累加寄存器级联构成,如下图:
图表2 相位累加器
每来一个时钟脉冲,N位加法器就将数据锁存器输出的频率控制数据K与N位累加寄存器输出的累加相位相加,相加后的结果送至N位累加寄存器的数据输入端。累加寄存器则将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样,相位累加器在参考频率时钟的作用下,不断对频率控制数据进行线性相位累加,当累加器累积满量时就会产生一次溢出,从而完成一次周期性动作,这个动作就是合成信号的一个频率周期,累加器的溢出频率就是输出信号的频率。
对于具有个相位取样的正弦波波形存储器,输出最低频率即频率控制字设置为1时,读出一个周期的信号需要个参考频率时钟周期,相当于输出一个频率为的正弦波合成信号。若频率控制数据为,读出一个周期的信号需要个参考时钟周期,合成信号的频率为,这就是输出信号的频率关系表达式,的频率分辨率为,其中。
在直接数字合成器中,正弦函数波形存储器(ROM)的字节数决定了相位量化误差,每个单元内的比特数决定了幅度量化误差。在实际的中,利用正弦波的对称性,范围内的幅、相点可以减少到以内,以降低ROM的内存容量。由于数/模转换器实际上是以固定的时钟速率对不同频率的正弦波进行取样合成的,随着输出频率的增加,相位取样数量减少,相位量化误差加大,量化噪声和杂波加大,根据取样定理的条件,理论上输出的最大频率为,实际工作中最大频率。
DDS系统的构成
直接数字频率合成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、低通平滑滤波器等构成。其中,参考频率源一般是一个高稳定度的晶体振荡器,其输出信号用于DDS中各部件同步工作。DDS的实质是对相位进行可
控等间隔的采样。因此,其主要构成为:内部:相位累加器,正弦查找表;外围:DAC,LPF(低通滤波器)。
DDS工作过程
工作过程为:
1. 将存于数表中的数字波形,经数模转换器D/A,形成模拟量波形.
2. 两种方法可以改变输出信号的频率:
(1) 改变查表寻址的时钟CLOCK的频率, 可以改变输出波形的频率.
(2) . 步长即
, 累
加器的值作为查表地址.
3. D/A输出的阶梯形波形,经低通(带通)滤波,成为质量符合需要的模拟波
形。
DDS原理—频率控制
DDS原理—相位控制
DDS原理—波形存储
正弦信号相位与幅度的对应关系图:
可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆