?
直接數(shù)字合成 (DDS)是一種生成擁有精確形狀和頻率的波形的技術(shù)。在函數(shù)發(fā)生器" title="函數(shù)發(fā)生器">函數(shù)發(fā)生器中使用DDS提高了這些儀器的性能，同時(shí)降低了成本。本文考察了DDS技術(shù)，介紹了在波形合成器儀器中使用DDS的優(yōu)點(diǎn)。?
?
在電子設(shè)施和制造行業(yè)的許多領(lǐng)域，函數(shù)發(fā)生器都是有效的通用儀器。它們可以生成不同頻率和幅度的大量信號(hào)，用來評(píng)估新電路的運(yùn)行情況，代替時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行制造測(cè)試，及用于許多其它用途。?
?
自第一部正弦波發(fā)生器問世以來，函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了多次演進(jìn)，在當(dāng)前數(shù)字領(lǐng)域中，大多數(shù)新型函數(shù)發(fā)生器(如新推出的Agilent 33220A)正采用一種新技術(shù)，稱為直接數(shù)字合成或DDS。顧名思義，DDS在大部分操作中使用數(shù)字電路" title="數(shù)字電路">數(shù)字電路，從而提供了數(shù)字操作擁有的許多優(yōu)勢(shì)。信號(hào)只在合成的最后階段轉(zhuǎn)換到模擬域中，在多個(gè)方面降低了函數(shù)發(fā)生器的復(fù)雜度，提高了函數(shù)發(fā)生器的穩(wěn)定性。?
?
從本質(zhì)上看，DDS合成器是一個(gè)寬幾位、以恒定的高頻率運(yùn)行的計(jì)數(shù)器。在溢出時(shí)，計(jì)數(shù)器可以“包圍”穿過零，有一個(gè)非常大的控制字設(shè)置數(shù)器步進(jìn)長(zhǎng)度。計(jì)數(shù)器的高階位用來尋址存儲(chǔ)設(shè)備，這個(gè)設(shè)備保持生成的一個(gè)波形周期的數(shù)字記錄。高頻時(shí)鐘每“嘀答”一次，計(jì)數(shù)器步進(jìn)一次，將為存儲(chǔ)器生成一個(gè)新的地址字，新的波形數(shù)據(jù)值發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。DAC輸出是取樣的模擬波形，在從發(fā)生器輸出前，模擬波形通過重建濾波器發(fā)送。?
?
DDS的首要優(yōu)點(diǎn)之一是輸出信號(hào)的頻率精度可以達(dá)到作為發(fā)生器參考信號(hào)使用的晶體控制振蕩器的水平。這個(gè)參考信號(hào)可以是晶體振蕩器(XO)，或?yàn)閷?shí)現(xiàn)更高的精度，可以是儀器本身中的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)。這些信號(hào)可以提供好于1/10th PPM的頻率精度。在許多情況下，儀器還可以把頻率鎖定到外部實(shí)驗(yàn)室頻率參考源上，生成超高精度的信號(hào)。?
?
在許多實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上，另一部?jī)x器如頻率計(jì)數(shù)器可以提供最精確的恒溫器控制的時(shí)鐘振蕩器，其輸出參考信號(hào)可以作為DDS 函數(shù)發(fā)生器的參考信號(hào)使用。在其它高精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)室中，將在每臺(tái)工作臺(tái)上“探測(cè)”10 MHz 標(biāo)準(zhǔn)頻率參考信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)這一目的。由于數(shù)字特點(diǎn)，DDS電路可以鎖定在這一頻率，提供與參考標(biāo)準(zhǔn)一樣精確的信號(hào)。?
?
DDS的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)與第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)相關(guān)：DDS發(fā)生器可以以非常高的精度生成頻率。DDS 信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字電路的頻率精度可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字電路相同的頻率精度。如果DDS電路有一個(gè)48位計(jì)數(shù)器，它可以提供高達(dá)48位的頻率分辨率，或約為10-15次冪分之三，某些DDS合成器使用位數(shù)更多及分辨率更高的計(jì)數(shù)器。?
?
這種高分辨率意味著函數(shù)發(fā)生器能夠確切地生成希望的輸出頻率，這還意味著發(fā)生器可以非常精確地改變頻率。這特別適合在通信、海量存儲(chǔ)和類似應(yīng)用中評(píng)估定時(shí)電路。能夠生成幾十兆赫、分辨率為1微赫茲的DDS 發(fā)生器并不少見。?
?
由于這么多的波形是以數(shù)字方式生成的，因此函數(shù)發(fā)生器中的調(diào)制功能、掃描功能和突發(fā)生成功能都受到數(shù)字控制，并可以以非常高的精度進(jìn)行設(shè)置并不奇怪。不僅可以精確地設(shè)置和改變頻率和定時(shí)，還可以精確地設(shè)置和改變相位和幅度。?
?
DDS的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是如果擁有RAM波形存儲(chǔ)器，那么函數(shù)發(fā)生器可以復(fù)現(xiàn)幾乎任何波形。DDS 發(fā)生器通過“播放”存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的波形來運(yùn)行。如果存儲(chǔ)器是只讀存儲(chǔ)器，那么只能生成ROM中存儲(chǔ)的波形。一般來說，每個(gè)函數(shù)發(fā)生器中都會(huì)內(nèi)置正弦波、方波、三角波和類似的波形。但是假設(shè)應(yīng)用要求占空比為10%的方波，或?qū)ΨQ性為58%的三角波(而不是50%)，如果DDS電路有存儲(chǔ)波形的RAM，那么控制器電路可以把任何波形寫入RAM，并通過合成器重放波形。?
?
因此，函數(shù)發(fā)生器現(xiàn)在的功能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器。對(duì)稱性可變的波形現(xiàn)在是標(biāo)配功能，另外還可以內(nèi)置各種不常見的波形，如指數(shù)上升和下降或正弦脈沖等等。?
?
把這種RAM概念再推進(jìn)一步，假設(shè)您需要測(cè)試獨(dú)有的某個(gè)特定波形。某些函數(shù)發(fā)生器可以把客戶指定的波形加載到DDS引擎的RAM中，由合成器進(jìn)行播放。這為函數(shù)發(fā)生器提供了生成“任意波形”的額外功能，即幾乎任何形狀的波形。這種功能特別有用，其通常得到能夠從各種來源中讀取波形的軟件支持，包括Matlab、MathCad、Excel和類似的軟件文件格式及示波器波形捕獲文件。?
?
新的函數(shù)發(fā)生器利用了DDS的優(yōu)勢(shì)，能夠把多臺(tái)不同儀器中的功能融合到一部?jī)x器中。基于DDS的函數(shù)發(fā)生器現(xiàn)在不僅執(zhí)行函數(shù)發(fā)生器的功能，還執(zhí)行任意波形發(fā)生器的功能。除增加ARB功能外，某些儀器還是功能強(qiáng)大的脈沖發(fā)生器。?
?
因此下次在考察函數(shù)發(fā)生器的技術(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，在看到基于DDS技術(shù)的低漂移高精度儀器時(shí)，不要感到吃驚啊。?
?
?
側(cè)欄：DDS合成器怎樣工作?
?
直接數(shù)字合成器(DDS)電路是生成模擬信號(hào)的一種數(shù)字技術(shù)。整個(gè)電路從固定頻率" title="固定頻率">固定頻率時(shí)鐘操作(圖1, “時(shí)鐘信號(hào)”)，固定頻率時(shí)鐘的運(yùn)行速率至少是生成的最高頻率的兩倍。?
?
(在這里插入圖1)?
?
在每個(gè)時(shí)鐘脈沖上，來自頻率寄存器的頻率字增加到“相位累加器" title="相位累加器">相位累加器”寄存器的內(nèi)容中，新數(shù)字存儲(chǔ)在相位累加器中。這些器件(頻率寄存器、加法器和相位累加器)可以是非常寬的寄存器，可能擁有48 – 64位的分辨率，使用這一電路可以實(shí)現(xiàn)分辨率非常高的頻率控制功能。在相位累加器溢出時(shí)，將保留其余部分，計(jì)算下一個(gè)周期第一個(gè)樣點(diǎn)的相位。?
?
來自相位累加器的低階位還作為波形內(nèi)存的地址行使用。地址行表示DDS電路回放的波形的瞬時(shí)相位。它從波形內(nèi)存中讀取這個(gè)相位時(shí)表示波形幅度的數(shù)據(jù)值，并傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器" title="數(shù)模轉(zhuǎn)換器">數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成與這個(gè)相位時(shí)波形幅度對(duì)應(yīng)的模擬電壓。?
?
波形存儲(chǔ)器包含要合成的一個(gè)周期的波形。在某些DDS電路中，其它形式的相位到幅度轉(zhuǎn)換器代替了波形存儲(chǔ)器，但對(duì)通用函數(shù)發(fā)生器，在這條電路中使用RAM可以通過改變RAM內(nèi)容，合成許多不同的波形。?
?
最后一個(gè)、但一個(gè)基本要素是從信號(hào)中消除取樣效應(yīng)的低通濾波器。這一濾波器的設(shè)計(jì)在一定程度上要比許多合成器中的濾波器簡(jiǎn)單，因?yàn)槿訒r(shí)鐘在單一的固定頻率上運(yùn)行。?