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新型數(shù)字化可編程頻率合成器
摘要：頻率合成器是從一個或多個參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的器件。它在信息通信方面得到了廣泛的應(yīng)用，并有新的發(fā)展。本文主要介紹新型數(shù)字化可編程頻率合成器的原理、特點及其在傳輸測量儀中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：PLL頻率合成器可編程控制隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展,使頻率合成技術(shù)也躍上了一個新的臺階。傳統(tǒng)的頻率合成器,通常從一排晶體振蕩器產(chǎn)生的各種頻率通過開關(guān)進行頻率混合,或者采用鎖相(PLL)技術(shù)實現(xiàn)頻率合成。如在八十年代初研制的撛夭ㄈ郝紛遠?饈砸菙中使用的頻率合成器即是PLL技術(shù),其原理見圖1：
圖1采用PPL技術(shù)的頻率合成器方框圖
該合成器是由程序分頻器、鑒相器及壓控振蕩器三大部分組成,從晶振束的100KHz標準信號經(jīng)100分頻后得1KHz的基準頻率fR,壓控振蕩頻率f1通過程序分頻得到頻率fM,fM和fR同時加到鑒相器進行比較。只有當fR和fM完
全同頻同相時,環(huán)路平衡被鎖定,即fR=fM�？梢�,當環(huán)路鎖定時,壓控振蕩器的輸出頻率完全決定于程序分頻器的分頻比,即f1=M·fR,只要改變分頻比M,便可使f1改變,從而得到所需的各個頻率點。在撊郝紛遠?饈砸菙中,從2.5-4.2MHz頻段內(nèi),產(chǎn)生43個頻率點。
使用PLL技術(shù)實現(xiàn)的頻率合成器在性能上較之RC、LC振蕩源有很大提高,但外圍電路復(fù)雜,且受外界干擾,分辨率難以提高,其他指標也不理想。近年來，數(shù)字化可編程頻率合成器(簡稱DDS)的出現(xiàn),使頻率合成技術(shù)大大地前進了一步。96年推出的DDS9850其頻率分辨率0.0291Hz,頻率準確度可控制到4×109分之一,噪音電平-70dB以下,諧波失真衰減≥55dB,先進的CMOS工藝不僅使AD9850性能一流,而且功耗小,在3.3V供電時,僅為155mW,其基本結(jié)構(gòu)框圖見圖2。
圖2中正弦查詢表是一個可編程存儲器(PROM),存有一個或多個完整周期的正弦波數(shù)據(jù),在時鐘fc的驅(qū)動下,地址計數(shù)器逐步經(jīng)過PROM,地址中相應(yīng)的數(shù)字信號輸入到N位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入端，DAC輸出模擬信號,經(jīng)低通濾波器(LPF),可得到一個頻譜純凈的正弦波。
圖2可編程控制DDS系統(tǒng)
系統(tǒng)的核心是相位累加器,它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成,一般為24～32位,每束一個時鐘fc相位寄存器以步長M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加,然后輸入到正弦查詢表地址上,正弦查詢表包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息,每個地址對應(yīng)正弦波中0度～360度范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號,驅(qū)動DAC輸出模擬量。
圖3DDS9850功能框圖
相位寄存器,每經(jīng)過2↑N/M個fc時鐘后回到初始狀態(tài),相應(yīng)的正弦查詢表經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置,整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波,周期為T0=Tc·2↑N/M,頻率fout=M·fc/2↑N,相位累加器輸出N位并不全部加到查詢表,而要截斷僅留高端13～15位,減小了查詢表長度,但并不影響頻率分辨率。DDS9850控制簡單,可用8位并行口或串行口直接輸入頻率,相位等控制數(shù)據(jù),其工作原理如圖3。
它采用32位相位累加器,截斷成14位,輸入正弦查詢表,查詢表輸出截斷成10位輸入到DAC。DAC輸出兩個互補的模擬電流接到濾波器上,外接一電阻RSET調(diào)節(jié)DAC滿量程輸出電流,其調(diào)節(jié)關(guān)系是ISET=32(1.248V/RSET),
滿量程電流為10～20mA。
DDS9850內(nèi)部有高速比較器接到DAC濾波輸出端,就可直接輸出一個抖動很小的脈沖序列,此脈沖輸出可用作ADC器件的采樣時鐘。9850用5位斷據(jù)字節(jié)控制相位,允許相位按增量180度、90度、45度、22.5度、11.25度移動
或進行組合。
DDS9850有40位寄存器,32位用于頻率控制,5位相位控制,1位電源休眠功能,2位廠家保留測試控制,這40位控制字可通過并行方式或串行方式裝入到DDS9850。在并行裝入方式中,通過8位總線D7....D0重復(fù)5次裝入寄存器,在FQ-VD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率和相位及控制數(shù)據(jù)寄存器,從而更新DDS輸入頻率和相位,同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器。在串行裝入方式中,W-CLK上升沿把25腳(D7)的一位數(shù)據(jù)串行移入,移動40位后,用一個FR-VD就可以更新輸出頻率和相位。
以上介紹了DDS9850的原理,從使用的角度來看,數(shù)字化可編程頻率合成器不僅從電路設(shè)計上較以前傳統(tǒng)的頻率合成器有了很大的改變,而且在現(xiàn)場使用中也可以根據(jù)送入的數(shù)字控制信號得到所需頻率的信號輸出,同時輸出信號的指標也較傳統(tǒng)的頻率合成器有了很大的提高。
圖4HX-11傳輸測試儀
我們已經(jīng)把DDS9850用在HX-11傳輸測試儀中,該傳輸測試儀是針對電力載波通信而設(shè)計的,主要用于電力載波線的電平、增益、衰減、防衛(wèi)度等特性的測試,還可作電平指示、頻譜分析和導(dǎo)頻測量。在儀器的設(shè)計上,一方面采用了LCD全漢字顯示,使操作非常方便；另一方面應(yīng)用了DDS技術(shù),使穩(wěn)定性和頻率精度提高。其原理見圖4,DDS9850在電路中作為本振產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的-9dB正弦波信號fdds,輸入頻率信號經(jīng)放大或衰減后得到-40dB的電平信號,此信號與本振信號進行混頻,然后送到窄帶帶通濾波器(LPF),輸出的信號再經(jīng)整流,得到直流輸出。當DDS9850產(chǎn)生的頻率與輸入頻率的差值等于窄帶帶通濾波器的中心頻率時,濾波器有一定的輸出,否則,濾波器輸出為0。這樣只要測量經(jīng)過整流過的直流信號電壓,就可將輸入信號的頻率,幅度,穩(wěn)定性測量出來。運用此方法,關(guān)鍵在于本振信號的產(chǎn)生。傳統(tǒng)上采用LC模擬電路或PLL技術(shù)來實現(xiàn)頻率合成,在頻率的精確定位上不易實現(xiàn),從而造成精度不高、測量不方便等因素,使整機的精度和使用都達不到理想水平�，F(xiàn)在采用了數(shù)字化可編程頻率合成器DDS9850后彌補了這些缺點。
由于DDS9850外圍設(shè)計簡單,控制方便,并且輸出信號純凈,幾乎不含噪聲,非常適合精確頻率合成方面的應(yīng)用。在實際使用中,數(shù)字化可編程頻率合成器DDS9850還可應(yīng)用于信號發(fā)生器、掃頻儀或通訊載波領(lǐng)域中。
參考文獻
AnalogDevicesInc.CMOS125MHZCompleteDDSSynthesigerDateSynthesigerDataSheet.1996
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