基于DDS的信號發生器基本原理研究

孟帥旗　徐志平　尹新宇　廖航　王錦濤

摘要：信號發生器是一種能產生標準信號的電子儀器，是工業生產和電工電子實驗室中經常使用的電子儀器之一。隨著社會發展和科技的進步，目前中高端的信號發生器的設計均采用了DDS技術。此類信號發生器具有頻率輸出穩定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等優點，可以說DDS技術對于信號發生器的發展具有非常重要的作用，它是使信號發生器更加成熟、更加先進的技術保障。

關鍵詞：信號發生器;DDS技術;DDS芯片;相位累加器

中圖分類號：TP216+.2

文獻標識碼：A

DOI：10.1 591 3/j .cnki.kj ycx.2019.09.031

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DDS技術的發展

直接數字合成技術（Direct Digital Synthesizer，DDS）是以數字信號處理理論為基礎，從相位概念出發直接合成所需要波形的一種全數字技術頻率合成方法。

DDS發展到現在，合成信號頻率的精確度仍是其今后發展的主要方向，而這方面的性能指標的提高可以從兩個方面進行，一是發展更先進的芯片生產工藝，生產出性能更加完善的DDS芯片;二是對于已有成品的DDS芯片設計完善抗干擾、抑制雜散的外圍電路。運用DDS技術生產的DDS任意波形信號發生器是一類較新的信號源，已經廣泛地投入使用。它不僅能產生傳統函數信號器能產生的正弦波、方波、三角波、鋸齒波，還可以產生任意編輯的波形。由于DDS的自身特點，所以很容易產生一些數字調制信號，如FSK、PSK等[1]。

2 DDS技術的特點

DDS技術的特點有：①分辨率較高。其頻率大小由其相位累加器的位數N和外部輸入的參考時鐘頻率fc共同決定。因此可以選取較高相位累加器數的DDS芯片，進一步提高信號的頻率分辨率。②輸出信號的頻率范圍寬。傳統信號合成器由于受到混疊現象和低通濾波器非理想過渡特性的影響，輸出的頻率采樣上限會受到限制，一般設定為采樣頻率fc的1/3，而DDS的輸出信號頻率的上線為fc的1/2，所以DDS技術輸出信號的頻率范圍要遠高于傳統技術的輸出頻率寬。⑧輸出信號的頻率切換速度快。頻率控制字K的傳遞時間只與fc和流水線的長度有關，在理想狀態下，DDS輸出信號的頻率可達納秒級[2]。

3 DDS信號發生器的構成

圖1為DDS信號發生器的基本結構，其主要元件有相位累加器、波形存儲器、數模轉換器、低通濾波器，下面分別介紹各元件的主要功能。

3.1 相位累加器

DDS技術中最關鍵的部分就是相位累加器。相位累加器是在外部時鐘信號的控制下產生讀取數據的地址值，然后通過查表法，把地址直接轉化為所需信號波形的數字幅度序列，再經由數模變換器（ D/A）把代表信號波形幅度的數字序列進一步轉化為模擬電壓，最后傳送到低通濾波器。經過濾波器處理，將數模變換器中不理想的階梯狀波形轉化為平滑的所需波形。合成信號的波形種類由ROM表中的幅度序列決定。如果需要多種波形，只需把所需波形的數據直接存放到ROM表中即可。

3.2 波形存儲器

波形存儲器也被稱之為正弦查詢表，它的主要功能是在任何一個參考時鐘周期內，都可以把從上一級傳輸過來的相位二進制碼信息作為地址，讀取查詢表中的相應地址對應的幅值二進制碼信息。這里需要說明的是，正弦查詢表中能夠查找的數據信息是預先存儲好的，也就是說需要事先對標準的正弦信號按照采樣定理進行抽樣和離散，比如波形存儲器的查詢地址為M，這就需要將一個周期的標準正弦信號G（t）進行抽樣和離散，即使其成為一個有2M個樣本值的D位二進制離散序列，把每一個樣值的相位信息作為存儲地址，對應的幅值信息作為地址的存儲內容。

當收到上一級相位累加器傳輸過來的相位二進制碼信息時，將其作為地址來讀取內部對應的預先存好的存儲內容即標準信號的幅值二進制碼信息，并將這個幅值信息的D位二進制碼傳送給下一級。

3.3 數模轉換器

數模轉換器可以把波形存儲器所輸出的包含幅值信息的D位二進制離散序列轉換成連續的模擬信號，但在實際中，它所恢復的模擬信號并不是真正光滑的正弦波，而是由很多個小方塊聚合成一個具有正弦波輪廓的階梯形信號。更直觀地說，轉換來的模擬信號不能完全被還原，D/A轉換器的位數在很大程度上決定了還原后模擬信號的精度——位數越大，分辨率越高，組成階梯形正弦信號的矩形數量就越多，波形看起來越平滑，與正弦波形的相似度也就越高。所以，目前多數集成電路廠商在設計DDS芯片時都會盡量集成具有較高位數的數模轉換器。同樣，D/A轉換器的其他參數，如轉換速率、線性度等也都影響著輸出信號的質量。

3.4 低通濾波器

低通濾波器（ Low Pass Filter，LPF）主要是將上級（D/A轉換器）輸出的階梯形的正弦信號進行平滑處理，去除混疊的、無用的雜散分量，使輸出信號更為純凈，波形變得更為平滑。

4 DDS信號發生器產生正弦波的MATLAB仿真

利用MATLAB仿真，模擬DDS的信號發生器產生頻率為109 Hz的正弦波，采樣頻率fs=1.2 GHz。其仿真結果如圖2、圖3所示，可以看到DDS準確輸出了所需波形，符合實驗預期，因此通過程序輸入不同數據DDS就能夠輸出所需要的波形。

對比圖2、圖3可以發現，DDS位寬越寬，其精度越高，但是位寬的寬度對ROM空間大小有一定要求，位寬越大，所占ROM空間越多，因此在實際應用當中我們要根據確定問題來選取合適的位寬。

5 總結與展望

DDS技術是現代中高端信號發生器的核心技術，DDS信號發生器具有頻率輸出穩定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等一系列優點。本文簡要論述了DDS技術的發展歷程和工作原理，并進一步分析了其主要結構的構成、各元器件的功能和聯系，使用MATLAB軟件進行DDS的設計與仿真，為后續深入了解DDS技術和改進打下了重要的基礎。

參考文獻：

[l]張濤，陳亮.現代DDS的研究進展概述[J].電子科技，2008， 21（3）：133-136.

[2]王佳榮.基于DDS技術的信號發生器設計[D].吉林：吉林大學，2015.