頻率合成技術(shù)迄今已經(jīng)歷了三代：直接頻率合成技術(shù)、鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)。直接數(shù)字式頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS或DDS）是第三代頻率合成技術(shù)的標(biāo)志，他的主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)參與頻率合成，既可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件來實(shí)現(xiàn)，或二者結(jié)合。直接數(shù)字式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)就是頻率切換的速度極快（可達(dá)幾微秒），并且頻率、相位和幅度都可控，輸出頻率穩(wěn)定度可達(dá)系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定度量級(jí)，易于集成化，更主要的是由于計(jì)算機(jī)參與頻率合成，故可充分發(fā)揮軟件的作用。

　　本文主要介紹的是基于單片機(jī)和CPLD實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成詳解，具體的跟隨小編一起來了解一下。

　　一、DDS工作原理

　　DDS工作原理框圖如圖1所示，其實(shí)質(zhì)是以參考頻率源（系統(tǒng)時(shí)鐘）對(duì)相位進(jìn)行等可控間隔的采樣。由圖1可見，DDS包括由相位累加器和ROM查詢表構(gòu)成的數(shù)控振蕩源（NCO）、DAC以及低通濾波器（LPF）3部分。在每一個(gè)時(shí)鐘周期，N位相位累加器與其反饋值進(jìn)行累加，其結(jié)果的高M(jìn)位作為ROM查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應(yīng)的幅度值送到DAC。低通濾波器LPF用于濾除DAC輸出中的高次諧波。因此通過改變頻率控制字K就可以改變輸出頻率fout。容易得到輸出頻率fout與頻率控制字K的關(guān)系為：fout=Kfc/2N，其中fc為相位累加器的時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的位數(shù)。定義當(dāng)K=1為系統(tǒng)頻率分辨率，即。

　　二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，本系統(tǒng)主要由單片機(jī)部分、DDS主通道部分、鍵盤及顯示部分以及輸出信號(hào)調(diào)理等部分組成。

　　單片機(jī)芯片采用的是比較常見的AT80C31芯片。同時(shí)片外還各擴(kuò)展了1片程序存儲(chǔ)器2764與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，分別用來存放運(yùn)行中所需的程序與隨機(jī)數(shù)據(jù)。

　　DDS主通道部分是我們?cè)O(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，該部分主要由相位累加模塊、地址總線控制模塊、數(shù)據(jù)總線控制模塊與波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EPROM、SRAM等組成。其中相位累加模塊、地址總線控制模塊和數(shù)據(jù)總線控制模塊都是在CPLD上實(shí)現(xiàn)，采用的芯片是ALTERA公司的FLEX10K系列器件。我們將所需要合成的波形采樣數(shù)據(jù)固化在EPROM 2764中，但是我們知道EPROM的讀周期比較長，很難滿足系統(tǒng)的訪問時(shí)間要求。因此設(shè)計(jì)中又使用了1片HSRAM，在DDS系統(tǒng)合成波形的過程中，代替ROM進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的快速查詢。

　　鍵盤和顯示部分是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行交互的重要手段。這一部分的邏輯功能，也是在CPLD上實(shí)現(xiàn)的。

　　輸出信號(hào)調(diào)理部分是把從HSRAM中讀出的波形的數(shù)字幅度值首先轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后再進(jìn)行放大、濾波處理后輸出。這一部份包括D/A轉(zhuǎn)換器、幅度放大器和濾波器。DAC器件采用AD公司的12位AD9713B，該器件特點(diǎn)是具有較高的更新速率（100 MSPS）和較低的功耗（725 mW），因此特別適合于DDS信號(hào)合成。幅度調(diào)節(jié)電路使用的是雙極性放大器AD708、AD9617和AD9713所組成的電路。

　　三、系統(tǒng)總體工作狀態(tài)說明

　　前面已經(jīng)提到過，由于EPROM的讀取時(shí)間比較長，很難滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求，因此在系統(tǒng)中又增加了1片高速SRAM，作為波形數(shù)據(jù)緩存器。這樣，系統(tǒng)就有兩個(gè)工作狀態(tài)：首先，系統(tǒng)開始工作時(shí)，需要將波形數(shù)據(jù)從EPROM調(diào)到HSRAM中，即波形數(shù)據(jù)的加載狀態(tài)；數(shù)據(jù)加載完畢后，按照DDS合成原理進(jìn)行信號(hào)合成，即信號(hào)的合成狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)的P1口控制這兩種工作狀態(tài)之間的切換。

　　1、波形數(shù)據(jù)的加載

　　單片機(jī)系統(tǒng)上電自檢完畢后，開始進(jìn)行波形數(shù)據(jù)加載過程。此時(shí)，地址總線控制模塊和數(shù)據(jù)總線控制模塊，將總線的控制權(quán)交給單片機(jī)系統(tǒng)。在該過程中，EPROM處于讀狀態(tài)，而SRAM為寫狀態(tài)。8031 按照EPROM、SRAM的時(shí)序要求，將8 k的波形數(shù)據(jù)從EPROM加載到HSRAM中。該過程大概需要幾毫秒時(shí)間。

　　由此我們知道，用這種方法不僅能夠合成標(biāo)準(zhǔn)波形（如：正弦波、方波、三角波等），而且還可以合成各種非標(biāo)準(zhǔn)波形。對(duì)此我們只要通過數(shù)據(jù)采集器或PC機(jī)獲得8 K的波形數(shù)據(jù)，然后存入到EPROM中，就可以按所需要的頻率輸出相應(yīng)波形。

　　2、波形合成電路的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)波形數(shù)據(jù)加載完畢后，系統(tǒng)就可以進(jìn)行信號(hào)合成。單片機(jī)將接收到的頻率值轉(zhuǎn)換成頻率控制字，送到相位累加器。相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行相位累加，然后將每次的累加和作為地址去尋址SRAM，讀出與該地址所對(duì)應(yīng)的波形幅度值，然后送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)幅度放大、濾波輸出。

　　1） 頻率值的接收與顯示

　　鍵盤、顯示部分用來實(shí)現(xiàn)用戶與單片機(jī)的交互。系統(tǒng)采用中斷查詢的方式接收通過鍵盤輸入的頻率值。該頻率值一方面送到數(shù)碼顯示接口進(jìn)行顯示，另一方面轉(zhuǎn)化成頻率控制字送往相位累加模塊。鍵盤顯示接口部分如圖3所示，圖中虛線框內(nèi)部分均由CPLD實(shí)現(xiàn)。

　　2）數(shù)控振蕩源（NCO）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　這一部分是DDS信號(hào)合成中的關(guān)鍵部分，由DDS系統(tǒng)原理框圖（圖2）可知，這一部分主要是由相位累加器、地址總線控制器、數(shù)據(jù)總線控制器與SRAM組成。其中，除了SRAM外，其余3個(gè)模塊都是在CPLD上實(shí)現(xiàn)。

　　相位累加器是整個(gè)DDS系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的功能和如圖4所示，它實(shí)質(zhì)上是1個(gè)帶反饋的32位加法器，性能。把輸出數(shù)據(jù)作為另一路輸入數(shù)據(jù)和從微處理器送來的頻率控制字進(jìn)行連續(xù)相加，產(chǎn)生有規(guī)律的32位相位地址碼。設(shè)計(jì)中采用流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)32位加法器，通過在組合邏輯之間插入觸發(fā)器，降低了寄存器之間的傳輸延時(shí)，從而保證系統(tǒng)能夠在較高的時(shí)鐘速度下運(yùn)行。

　　地址總線控制模塊和數(shù)據(jù)總線控制模塊是根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)的不同，對(duì)系統(tǒng)的地址總線、數(shù)據(jù)總線以及控制線進(jìn)行切換，這一部分的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，這里就不再贅述。

　　3）輸出信號(hào)調(diào)理部分

　　這一部分是由D/A轉(zhuǎn)換器、幅度放大器和濾波器構(gòu)成，其電路如圖5所示。

　　DA器件選用的是AD公司的高速芯片9713B，該芯片的輸入是12位的。幅度調(diào)節(jié)電路是由放大器組成。這是1個(gè)電流反饋的高速放大電路。它把DA輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過反饋電阻RFB的電流決定9617輸出的幅度。RL和RFF起分流作用，限制用于I/V轉(zhuǎn)換的電流，同時(shí)在9617內(nèi)部提供一個(gè)輸出電壓幅度。流過R2的電流給9617 輸出端提供一個(gè)直流偏置，調(diào)節(jié)R1的阻值可以調(diào)整偏置電流的大小。整個(gè)放大電路的幅度是±4.096 V。模擬輸出的部分是濾波電路，濾波器的選擇主要取決與系統(tǒng)所要輸出的波形。譬如我們?cè)谟肈DS技術(shù)合成正弦信號(hào)時(shí)，可以選用橢圓濾波器濾波。

　　四、結(jié)語

　　與傳統(tǒng)的頻率合成方法相比，DDS合成方法具有頻率切換快、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)等一系列突出優(yōu)點(diǎn)。使用單片機(jī)靈活的控制能力以及良好的人機(jī)對(duì)話功能與CPLD的高性能、高集成度相結(jié)合，能夠突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的許多設(shè)計(jì)瓶頸，使系統(tǒng)性能大幅度提高；同時(shí)，用這種方法實(shí)現(xiàn)的DDS電路具有很大靈活性，它可以根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)，滿足用戶的特殊要求。因此，該系統(tǒng)具有很好的開發(fā)、應(yīng)用前景。

　　同時(shí)，我們也應(yīng)該注意到由于DDS數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的固有特點(diǎn)，像相位累加器的相位舍位、波形幅度量化和DAC器件非理想特性，使得輸出信號(hào)頻譜雜散較大。當(dāng)合成信號(hào)的輸出頻率比較高時(shí)，表現(xiàn)得尤為突出，從而限制了輸出信號(hào)的頻率范圍。對(duì)此，我們一方面在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減小能夠引起雜散的各種因素，另外更重要的是采取一些便于CPLD實(shí)現(xiàn)而同時(shí)能夠有效降低輸出雜散的技術(shù)，如對(duì)DDS相位累加器的改進(jìn)、ROM數(shù)據(jù)壓縮、使用抖動(dòng)注入技術(shù)等。從而使開發(fā)出的DDS系統(tǒng)性能更加優(yōu)良。