正弦結構:構成精密振蕩器的DDS技術
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正弦結構:構成精密振蕩器的DDS技術
直接數(shù)字頻率合成器(DDS)可為從次聲波到射頻(RF)的各種應用提供快速的相位相干與線性調諧
要點
DDS具有從儀器級到適宜消費電子設備的器件級的各種形狀因數(shù)與性能水平;
DDS可在其波段內提供恒定的調諧分辨率;
舍位誤差與DAC的非理想化是DDS的主要誤差源。
正如其基本數(shù)學論所表現(xiàn)的,基于數(shù)字的信號處理模塊在架構上常常會使人聯(lián)想起以前的模擬模塊。例如,連續(xù)時間與離散時間過濾器設計所采用的傅立葉變換與Z變換的并行處理,構成了像“形”與“階”這樣的表達式。還有許多其他并行結構的例子。的確,非類似結構在采用線性與數(shù)字實現(xiàn)的基本函數(shù)中并不常見。因此,數(shù)字電路常常用數(shù)字信號來表現(xiàn)模擬電路一般用電壓或電流來表示的相同物理現(xiàn)象。
而DDS(又稱為NCO(數(shù)字控制振蕩器))則正相反。不像大多數(shù)頻率發(fā)生器,DDS不采用可調諧反饋回路,而是直接用數(shù)字形式來構造其輸出波形。因為簡單,故其結構特別通用,已廣泛用于汽車收音機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及醫(yī)學成像儀等各種設備。NCO所采用的形式也是多種多樣的,例如:IP(知識產(chǎn)權或專利)、IC、板卡及儀器等,全都能從不同供應商處得到。
DDS的應用范圍不僅限于在技術發(fā)展中形成的幾個有趣的停留點,同時也提出了數(shù)字頻率合成器所必須滿足的要求以及IC與OEM設計者所必須解決的頻率合成問題。NCO具有的優(yōu)勢包括相位連續(xù)頻率切換與調諧間隔間的幅度恒定等。這種信號源還能提供數(shù)字控制下的精細頻率與相位調諧。對于采用跳頻算法的系統(tǒng),NCO可提供快速跳頻且沒有明顯的下沖與過沖(參考文獻1)。在正交應用中,DDS可以以相當?shù)偷某杀咎峁┮粚哂袩o與倫比的幅度匹配與相位一致性的I、Q通道。DDS還能在時間與溫度變化條件下提供出色的長期頻率與幅度穩(wěn)定性,且只有很少的參數(shù)依賴性。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/8020.htm要點
DDS具有從儀器級到適宜消費電子設備的器件級的各種形狀因數(shù)與性能水平;
DDS可在其波段內提供恒定的調諧分辨率;
舍位誤差與DAC的非理想化是DDS的主要誤差源。
正如其基本數(shù)學論所表現(xiàn)的,基于數(shù)字的信號處理模塊在架構上常常會使人聯(lián)想起以前的模擬模塊。例如,連續(xù)時間與離散時間過濾器設計所采用的傅立葉變換與Z變換的并行處理,構成了像“形”與“階”這樣的表達式。還有許多其他并行結構的例子。的確,非類似結構在采用線性與數(shù)字實現(xiàn)的基本函數(shù)中并不常見。因此,數(shù)字電路常常用數(shù)字信號來表現(xiàn)模擬電路一般用電壓或電流來表示的相同物理現(xiàn)象。
而DDS(又稱為NCO(數(shù)字控制振蕩器))則正相反。不像大多數(shù)頻率發(fā)生器,DDS不采用可調諧反饋回路,而是直接用數(shù)字形式來構造其輸出波形。因為簡單,故其結構特別通用,已廣泛用于汽車收音機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及醫(yī)學成像儀等各種設備。NCO所采用的形式也是多種多樣的,例如:IP(知識產(chǎn)權或專利)、IC、板卡及儀器等,全都能從不同供應商處得到。
DDS的應用范圍不僅限于在技術發(fā)展中形成的幾個有趣的停留點,同時也提出了數(shù)字頻率合成器所必須滿足的要求以及IC與OEM設計者所必須解決的頻率合成問題。NCO具有的優(yōu)勢包括相位連續(xù)頻率切換與調諧間隔間的幅度恒定等。這種信號源還能提供數(shù)字控制下的精細頻率與相位調諧。對于采用跳頻算法的系統(tǒng),NCO可提供快速跳頻且沒有明顯的下沖與過沖(參考文獻1)。在正交應用中,DDS可以以相當?shù)偷某杀咎峁┮粚哂袩o與倫比的幅度匹配與相位一致性的I、Q通道。DDS還能在時間與溫度變化條件下提供出色的長期頻率與幅度穩(wěn)定性,且只有很少的參數(shù)依賴性。
剖析DDS
DDS是從時基(通常是一塊晶振)以及含有Δθ(相位增量已知數(shù)據(jù),亦稱為調諧字,參見圖1)寄存器開始的。每經(jīng)過一個時鐘周期,相位累加器都在以前累加的相位θ(T) 上增加一個Δθ,因此在任何額定時間下:
且θ(0)一般為0。其中角速度通常由下式給出:
或用采樣系統(tǒng)的離散時間項表示:
假設n位相位累加器缺少一次中周期復位,則涉及時基的角速度為:
展開后,輸出頻率與輸入頻率之間的關系為:
最后的表達式指出了DDS優(yōu)于PLL頻率發(fā)生器:即DDS的調諧字是在分子中,可在整個電路調諧范圍內提供恒定的調諧分辨率;而在PLL結構中,調諧已知數(shù)則是位于分母中。
一個潛在的混疊源會限制調諧字的寬度,亦即:
如果N為調諧字可保持的最大值,且如果您允許m等于n,則只要寄存器容量超過N/2(相位域中的奈奎斯特極限表示)即會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。例如,當Δθ = N-1時,即會產(chǎn)生相同的輸出頻率Δθ = 1(除非相位累加器是遞減而不是遞增)。這種從Δθ = N/2到Δθ = N 的第二“負頻率”鏡像,反映了從Δθ = 0到Δθ = N/2 的主鏡像(相位方向除外),要求m-n≥1才能消除此第二鏡像。
相位累加器充當含有波形采樣數(shù)據(jù)(表示為sine(θ))的m
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