淺析DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

　　自第一部正弦波發(fā)生器問(wèn)世以來(lái)，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Agilent33220A）正采用一種新技術(shù)，稱為直接數(shù)字合成（DDS）。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是一個(gè)以恒定高頻率運(yùn)行的多位計(jì)數(shù)器。在溢出時(shí)，通過(guò)利用一個(gè)多位控制字來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)器步進(jìn)的尺寸，允許計(jì)數(shù)器過(guò)零。計(jì)數(shù)器的高階位用來(lái)尋址存儲(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備保持有生成的一個(gè)波形周期的數(shù)字記錄。高頻時(shí)鐘每前進(jìn)一單位，計(jì)數(shù)器便步進(jìn)一次，存儲(chǔ)器也將生成一個(gè)新的地址字，而新的波形數(shù)據(jù)值將會(huì)發(fā)送到DAC。DAC輸出的是取樣模擬波形，該波形經(jīng)重構(gòu)濾波器之后由發(fā)生器輸出。

　　DDS的主要優(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。如果想實(shí)現(xiàn)更高的精度，也可以采用函數(shù)發(fā)生器本身的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器產(chǎn)生。這些信號(hào)可以提供高于0.1PPM的頻率精度。在許多情況下，函數(shù)發(fā)生器還可以把頻率鎖定到外部實(shí)驗(yàn)室頻率參考源上，從而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，將通過(guò)在每個(gè)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。根據(jù)數(shù)字電路的特點(diǎn)，DDS電路可以鎖定在這一頻率，從而提供與參考標(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)生器可以生成非常高的頻率精度。DDS信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字電路可以實(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，而且日前，某些DDS合成器使用了位數(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)生器能夠準(zhǔn)確地生成希望的輸出頻率，同時(shí)這還意味著發(fā)生器可以非常精確地改變頻率。特別適合在通信、海量存儲(chǔ)和類(lèi)似應(yīng)用中評(píng)估定時(shí)電路。目前能夠生成幾十MHz、分辨率為1mHz的DDS發(fā)生器并不少見(jiàn)。

由于所有的波形都是以數(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。不僅可以精確地設(shè)置/改變頻率和定時(shí)，還可以精確地設(shè)置/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DDS函數(shù)發(fā)生器可以重現(xiàn)幾乎任何波形。DDS發(fā)生器通過(guò)播放存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的波形來(lái)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(lái)說(shuō)，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(lèi)似的波形。但是對(duì)于占空比為10%的方波，或?qū)ΨQ性為58%的三角波（而不是50%），僅帶有只讀存儲(chǔ)器的DDS發(fā)生器則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。不過(guò)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(xiě)入RAM，并通過(guò)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(guò)傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器。對(duì)稱性可變的波形現(xiàn)在已是標(biāo)配功能，另外還可以內(nèi)置各種不常見(jiàn)的波形，如指數(shù)上升和下降型波形或正弦脈沖型波形等。

　　把這種RAM概念再推進(jìn)一步，假設(shè)工程師需要測(cè)試獨(dú)有的某個(gè)特定波形，最新的函數(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。這種功能特別有用，并能得到包括Matlab、MathCad、Excel和類(lèi)似的軟件文件格式及示波器波形捕獲文件等多種波形讀取軟件的支持。

　　最新的函數(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?；贒DS的函數(shù)發(fā)生器現(xiàn)在不僅可以執(zhí)行函數(shù)發(fā)生器的功能，還可以執(zhí)行任意波形發(fā)生器（ARB）的功能。除此之外，某些儀器還是功能強(qiáng)大的脈沖發(fā)生器。這些功能將會(huì)給傳統(tǒng)測(cè)試方案帶來(lái)一次革命。