【摘要】本文論述了信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)代電子學(xué)中的重要應(yīng)用，分析比較了信號(hào)發(fā)生器的幾種實(shí)現(xiàn)方法，并最終對(duì)DDS技術(shù)設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。
　　【關(guān)鍵詞】信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)方法，DDS技術(shù)
　　0引言
　　在現(xiàn)代電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，常常需要高精度且頻率可方便調(diào)節(jié)的信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，它可以根據(jù)需要生成不同頻率和幅度的多種信號(hào)，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中具有十分廣泛的用途。例如在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中利用信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)，可以對(duì)元器件的性能及參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，還可以對(duì)電工和電子產(chǎn)品進(jìn)行指數(shù)驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定；在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，利用信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生將音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去的高頻載波；在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的信號(hào)發(fā)生器。
　　1信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法
　　自第一部正弦波發(fā)生器問(wèn)世以來(lái)，信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了多次演進(jìn)，信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種：
　　(1)用分立元件組成的信號(hào)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。
　　(2)可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。
　　(3)利用單片集成芯片的信號(hào)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試。鑒于此，美國(guó)美信公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICMAX038，它克服了第二種方法中芯片的缺點(diǎn)，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯片望塵莫及的。MAX038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計(jì)上，MAX038都是優(yōu)選的器件。
　　(4)利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的信號(hào)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。由于DDS在大部分操作中使用數(shù)字電路，從而提供了數(shù)字操作擁有的許多優(yōu)勢(shì)。由于信號(hào)只在合成的最后階段轉(zhuǎn)換到模擬域中，所以在多個(gè)方面降低了信號(hào)發(fā)生器的復(fù)雜度，提高了信號(hào)發(fā)生器的穩(wěn)定性。在當(dāng)前數(shù)字領(lǐng)域中，大多數(shù)新型信號(hào)發(fā)生器(如HP33220A)采用的正是這種新技術(shù)。
　　2DDS技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)
　　2.1DDS技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
　　直接數(shù)字頻率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis簡(jiǎn)稱DDFS或DDS)技術(shù)是一種全數(shù)字技術(shù)，該技術(shù)從相位概念出發(fā)直接合成所需要頻率。它是由美國(guó)學(xué)者J.Tiemcy,C.M.Rader及B.Gold在1971年提出的，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)及器件水平，它的性能指標(biāo)尚不能與己有的技術(shù)相比，故未受到重視。在本世紀(jì)80年代末90年代初，由于DDS在合成頻率信號(hào)方面的優(yōu)越性，學(xué)術(shù)界掀起了對(duì)DDS譜質(zhì)研究的熱潮。Nicholas建立了雜散信號(hào)模型，對(duì)DDS相位截?cái)嘁�起的雜散進(jìn)行了深入的分析，并以數(shù)論為基礎(chǔ)得出一些有益的結(jié)論。隨后Garvey和Babitch從波形分析角度、Kroupa從傅氏分析的角度進(jìn)行了類似的討論。在深入研究認(rèn)識(shí)了DDS雜散成因及其分布規(guī)律后，對(duì)DDS雜散抑制的研究成果便不斷出現(xiàn)，其中包括對(duì)DDS相位累加器的改進(jìn)、ROM數(shù)據(jù)壓縮、抖動(dòng)注入技術(shù)的應(yīng)用以及對(duì)DDS工藝結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等等。這些改進(jìn)技術(shù)促成了AD公司、Qualcomm公司和Stanford公司一系列性能優(yōu)良的DDS器件不斷出現(xiàn)。這些器件工作頻率可達(dá)1GHz,頻率分辨率可到mHz，排除DAC的限制，雜散指標(biāo)己達(dá)一70dB以下。
　　除了性能不斷提高外，近年來(lái)DDS技術(shù)己不再局限于頻率合成領(lǐng)域，通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、儀器測(cè)試等領(lǐng)域也開始利用DDS技術(shù)。以通信為例，在數(shù)字通信、移動(dòng)通信、擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信、微波通信以及通信對(duì)抗等領(lǐng)域中都可以見到DDS應(yīng)用:(1)移動(dòng)通信:現(xiàn)代各種移動(dòng)通信系統(tǒng)都要求設(shè)備工作頻率穩(wěn)定度高、轉(zhuǎn)換時(shí)間快、功耗低、體積小。在這方面DDS技術(shù)正好可以發(fā)揮其特點(diǎn)，如愛立信公司的COMPACT9000無(wú)線尋呼發(fā)射機(jī)就采用了DDS技術(shù):(2)擴(kuò)頻通信:擴(kuò)頻通信是近來(lái)通信技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，而其中頻譜的擴(kuò)展是通過(guò)信息數(shù)據(jù)對(duì)高速偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)載波及偽隨機(jī)碼的變換速率及載波的相位噪聲性能等都有很高的要求。DDS技術(shù)以其低相位噪聲和高轉(zhuǎn)換速度為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)提供了一個(gè)合適選擇;(3)通信對(duì)抗:在此領(lǐng)域DDS技術(shù)更是大有用武之地。為了提高通信電臺(tái)的抗干擾能力，常采用調(diào)頻工作方式，這就要求調(diào)頻電臺(tái)能在超寬帶、高跳變速率的方式下工作，而增加調(diào)頻組合時(shí)序的復(fù)雜性就可以提高通信的保密性。目前國(guó)外己有利用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的在0.1-250MHz內(nèi)，以6Hz步長(zhǎng)、20ns轉(zhuǎn)換速度變化的合成信號(hào)源。除此之外，DDS技術(shù)在通信的其他方面還有很廣的應(yīng)用，這里不再一一列舉。相信隨著DDS理論和集成電路工藝的不斷發(fā)展，我們能夠在越來(lái)越多的領(lǐng)域見到DDS成功應(yīng)用的例子。
　　2.2DDS電路工作原理
　　直接數(shù)字頻率合成又稱計(jì)算法數(shù)字頻率合成，它是隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的頻率合成方法。
　　其工作原理如下圖所示：
　　圖1DDS電路工作原理圖
　　先將待要輸出的模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)字采樣，量化，生成波形數(shù)據(jù)。再把波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到波形存儲(chǔ)器中。相位寄存器用于存放輸出信號(hào)的初始相位，把頻率控制字K存儲(chǔ)到頻率控制字寄存器中，它的值用于控制輸出信號(hào)的頻率。相位控制字用于改變信號(hào)的相位，也是一個(gè)寄存器。用到的累加器和加法器用于運(yùn)算以形成波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址信息。通過(guò)對(duì)已有波形數(shù)據(jù)的抽樣讀取，可以得出不同相位，頻率的數(shù)字信號(hào)。最后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波，就可以得到們所需要的信號(hào)。
　　2.3DDS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
　　DDS技術(shù)之所以具有如此廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，是與DDS技術(shù)的特點(diǎn)分不開的。與直接式頻率合成(DS)、間接式頻率合成(IS或PLL)相比，直接數(shù)字頻率合成具有下述優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)頻率切換時(shí)間短
　　DDS的頻率轉(zhuǎn)換可以近似認(rèn)為是即時(shí)的，這是因?yàn)樗�的相位序列在時(shí)間上是離散的，在頻率控制字K改變以后，要經(jīng)一個(gè)時(shí)鐘周期之后才能按照新的相位增量累加，所以也可以說(shuō)它的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就是頻率控制字的傳輸時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期Tc＝1/fclk。如果.fclk=10MHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間即為100ns,當(dāng)時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，轉(zhuǎn)換時(shí)間將會(huì)更短，但再短也不能少于數(shù)門電路的延遲時(shí)間。目前，集成DDS產(chǎn)品的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)10ns的量級(jí)，這是目前常用的鎖相頻率合成技術(shù)無(wú)法做到的。
　　(2)頻率分辨率高
　　DDS的最小頻率步進(jìn)量（頻率分辨率）就是它的最低輸出頻率，只要累加器有足夠的字長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)非常精密的分辨率沒(méi)有多大的困難。例如可以實(shí)現(xiàn)Hz,mHz甚至nHZ的頻率分辨率，而傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)這樣的頻率分辨率十分困難，甚至是不可能的。
　　(3)相位變化連續(xù)
　　DDS改變輸出頻率實(shí)際上改變的是每次的相位增量，即改變相位的增長(zhǎng)速度，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸出信號(hào)相位的連續(xù)性。這在很多對(duì)頻率合成器的相位要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合非常有用。
　　(4)具有低相位噪聲和低漂移
　　DDS系統(tǒng)中合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號(hào)的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應(yīng)用中，一般由固定的晶振來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，所以其具有極好的相位噪聲和漂移特性。
　　(5)易于集成、易于調(diào)整
　　DDS中除了DAC和濾波器之外，幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號(hào)處理器件，不需要任何調(diào)整，易于集成，具有功耗低、體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。當(dāng)然DDS技術(shù)也有其不可避免的缺點(diǎn)，如:信號(hào)雜散比較豐富、輸出信號(hào)的頻帶受限等，而這需要在算法或工藝上作進(jìn)一步改進(jìn)。
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