在许多设备中，产生和控制各种频率和波形的精确波形是很重要的。示例包括用于通信的具有低相位噪声和低杂散信号内容的敏捷频率源，以及用于工业和生物医学应用的简单生成频率刺激。在此类应用中，能够方便且经济高效地生成可调波形是一个关键的设计考虑因素。

各种方法已经被使用，但最灵活的是直接数字合成器(DDS)。DDS芯片，或直接数字合成器，通过产生数字形式的时变信号，然后进行数字到- (D/A)转换，产生波形-通常是正弦波，但三角波和方波是固有的。DDS设备主要是数字的，因此它们可以在输出频率之间快速切换，提供良好的频率分辨率，并在广泛的频率范围内操作。

随着设计和工艺技术的进步，今天的DDS设备非常紧凑，功耗很小。目前可用的DDS设备可以产生远低于1hz到400mhz的频率(基于1ghz时钟)，时间分辨率为48位。采用新工艺技术的低成本设备，加上DDS固有的优异性能和对输出波形进行数字化(重新)编程的能力，使DDS方法与更离散、更不灵活的传统解决方案相比极具吸引力。多通道DDS器件，如2通道AD9958和4通道AD9959，允许在空间受限的系统(例如，相控阵雷达/声纳，ATE，医学成像和光通信)中独立编程多达四个固有同步输出。

我们在这里的目标是让读者了解DDS在现有应用程序中的一些重要用途，并深入了解DDS设备为这些应用程序和其他潜在应用程序带来的主要好处。目前，DDS的两种主要应用形式是通信中的波形生成和工业和生物医学中的信号分析。典型的其他用途包括电子物品监视(EAS)和声纳浮标系统中的海事应用。

重要的应用存在于通信系统中，这些系统需要具有低相位噪声和杂散的敏捷频率源，并且与DDS一样具有出色的频率调谐分辨率和频谱性能。DDS在通信中的其他典型用途包括为WDM光通道识别生成导频信号，为锁相环(pll)生成可调参考频率增强，作为本地振荡器，甚至用于直接传输。

在信号分析类别中，许多工业和生物医学设计使用DDS以数字方式生成可编程波形，其频率和相位易于调节，而无需改变任何外部组件，这通常是传统波形发生器的情况。简单的频率调整可以用来定位共振或补偿温度漂移。DDS可用作测量传感器阻抗的灵活频率刺激，或为微致动器产生脉宽调制信号，或检查局域网或电话电缆中的衰减。

工业和医药方面的应用

信号发生器网络分析:当今电子领域的许多应用都涉及到为数字信号处理、测量、光纤和高频通信收集和解码数据。

这类应用包括用已知振幅和相位的频率刺激电路或系统，并分析响应特性以提供关键的系统信息。“被分析的网络”(图1)可以是任何东西，从一段电缆到一个测量/传感器系统。典型的要求是比较响应信号与输入信号的相位、频率和幅度。

在需要一系列频率来激励的地方，DDS芯片是合适的，因为激励频率、相位和幅度可以用非常严格的分辨率进行软件控制。

该系统的工作原理是将已知频率、幅度和相位的信号应用于网络的V1点(为简单起见显示为无源电路)，如图2所示。信号在点V2处的幅度和相位将根据网络的特性而变化。信号V2和V1之间的时间差允许用户计算相移，幅度的变化将给出相对幅度位移。它们的频谱差异可以提供一种测量失真的方法。知道被测系统的相位和幅值响应，就可以计算出它的传递函数。

在这些应用中使用的典型频率往往是从0 kHz到200 kHz，在DDS频率处理范围的低端。对于某些应用，一个已知频率的突发就能提供足够的信息;但大多数情况下，需要在整个网络中扫描一系列已知频率，并分析多个频率的相位/振幅数据。单个DDS芯片提供了整个频率生成功能，使用户在数字控制网络控制所需的频率方面具有很大的灵活性。由于不需要外部组件，用户只需要能够通过其SPI接口写入DDS。DDS的输出相位通常是10位到14位分辨率可控的，可编程相位分辨率为0.1度。

在图2的系统中，采用AD9834 DDS芯片作为系统的激励源。它是由一个50兆赫晶体振荡器驱动。AD9834的频率分辨率为28位，可以将频率控制在0.2 Hz左右。DDS输出幅度由对地的外部电阻控制;外部增益级驱动网络。

由电阻RL负载的输出驱动低通RC滤波器，该滤波器对信号进行带限制，并滤除时钟频率、图像和更高频率。缓冲放大器驱动网络，在这里用LRC电路表示。参考信号连接到双通道同步采样ADC(如AD7866 12位，1- msps，双ADC)的通道1;将响应信号应用于ADC的通道2。

数字信号处理器作为系统控制器，控制DDS和ADC采样。DSP用简单的算法或FFT、DFT或专有算法处理系统的处理要求，也可以控制系统的任何必要的幅度和相位校准。

其他应用程序

类似的方法可用于许多其他应用，其变化取决于所采用的物理和电路。示例包括提供用于测试lvdt(线性可变差动变压器)的频率扫描;使用电容式传感器的接近感测;平衡线圈金属探测;使用化学传感器进行血液测量;利用超声波传感器进行流量测量;电子物品监控(EAS)——使用射频响应标签来防止入店行窃。

通信中的DDS

通常，当考虑设计一个新的频率合成器时，有两种基本的方法是常见的:锁相环(PLL)和直接数字合成。选择并不总是明确的;通常，设计人员必须做出权衡或设计额外的电路来弥补所选技术的弱点。

然而，现在锁相环和DDS电路都可以作为低成本元件，考虑设计一种结合这两种技术的混合电路变得可行，从而消除了权衡。设计人员可以利用这两种方法来获得优于单个锁相环或DDS设计的整体解决方案。我们将讨论具有以下好处的方法:

• 高频率分辨率

• 快速开关动作

• 快速沉淀时间

• 宽的带宽

• 极低功率

• 低相位噪声和杂散噪声

这里将讨论两种不同的PLL/DDS混合频率合成器——为PLL提供可调参考的DDS，以及与DDS产生的本地振荡器(LO)频率的内部偏移的PLL。

可微调的锁相环参考:图3显示了一个锁相环频率合成器，其参考频率由DDS的滤波输出产生。通过使用混合解决方案，DDS的调谐分辨率可以将整个系统的可调谐性提高到单独使用锁相环无法实现的水平。

在这个例子中，锁相环由一个整数n ADF4106频率合成器，外加一个外部环路滤波器和压控振荡器组成。这种配置允许设计人员选择满足频率条件的压控振荡器和满足应用需求的环路滤波器。该基准由AD9834 DDS生成，然后是滤波器和可选的匹配分频器，用于降低噪声和杂散。

DDS具有28位调谐字，允许对参考频率进行非常窄的调谐，从而比使用分数n锁相环更方便地对输出频率进行微调。

例如，VCO的频率范围为100mhz ~ 500mhz, DDS输出在5mhz的邻域，则N的取值范围为20 ~ 100。N的每一步导致输出频率的5 MHz步长(100 MHz, 105 MHz, 110 MHz等)。然而，AD9834的输出可以通过简单地调整写入频率寄存器的十六进制数来设置小的增量。AD9834可以在50 mhz时钟速率下以小至0.2 Hz的增量调谐。这导致非常精细的调谐混合锁相环/DDS。

理想情况下，基准应该具有低相位噪声和杂散音调。DDS输出确实具有低相位噪声，但其杂散内容可能需要在某些频率下进行处理。杂散是由于相位累加器后的截断，导致在特定采样/输出频率组合下杂散含量增加。这些杂散可以通过额外的滤波和仔细选择采样方案来最小化。

如果开关速度不重要，锁相环带宽可以非常窄，以排除参考杂散;然后相位噪声和杂散被限制在VCO的范围内。如果VCO是干净的，这可能是获得带宽宽、分辨率高、杂散噪声好、尺寸小、功耗极低的合成器的最简单方法，尽管频率之间的切换速度很慢。

为了利用DDS的快速开关能力以及高分辨率，需要更宽的锁相环带宽，这使得滤波器和可选分频器对于低噪声和杂散很重要。请注意，锁相环增加了杂散音的幅度，而不是它们与参考信号的频率偏移。因此，在图3中的滤波器是必要的，以限制dds产生的杂散音和噪声到一个狭窄的带宽。在频率乘以N后，噪声和杂音将增加20 log(N)，但仅在滤波器带宽范围内。最终，滤波器带宽和中心频率的选择是切换速度、噪声性能和连续频率覆盖需求之间的权衡。

由DDS产生的内部偏移频率的锁相环:图4显示了一个锁相环合成器，其内部偏置频率由DDS产生。

该电路使用精细设置的DDS频率来调制本地振荡器频率，产生和/差频率，该和/差频率经滤波后调制参考频率，产生输出频率。

这类似于多环路合成器的设计，除了用单个DDS代替了细频率步进锁相环。该混合合成器的DDS具有良好的频率分辨率，可以提供比多环路锁相环更好的频率分辨率。

锁相环提供粗阶跃，和以前一样，锁相环输出频率(带有本振)与输入参考频率f(REF)具有相同的基本分辨率。DDS在每个粗步之间提供精细步长，因此最终输出步长就是DDS的步长。使用带有50mhz主时钟的AD9834，可以实现0.2 Hz的步长。

数据编码中的DDS

由于DDS设备使频率和相位的调整变得容易，因此它们在将相位和频率调制的数据编码到载波上时特别有用。这里有两个相关的应用可以追溯到电报的早期。

移频键控编码:二进制移频键控(FSK)是最简单的数据编码形式之一。通过将连续载波的频率移到两个离散频率中的一个或另一个(二进制操作)来传输数据。一个频率(f(1))被指定为“标记”频率(二进制1)，另一个频率(f(0))被指定为“空间”频率(二进制0)。图5显示了数据与传输信号之间的关系。

这种编码方案很容易使用DDS实现。表示输出频率的DDS频率调谐字的变化是为了与要传输的1和0的模式同步产生f(0)和f(1)。用户在传输前将所选频率对应的调谐词编程到设备中。在AD9834的情况下，两个频率寄存器方便地用于FSK编码。器件上的专用引脚(FSELECT)用于选择与适当调谐字对应的频率寄存器。图6中的框图演示了FSK编码的实现。

相移键控编码:相移键控(PSK)是另一种简单的数据编码形式。在PSK中，在载波频率保持不变的情况下，通过改变传输信号的相位来传递信息。

有各种各样的方案可以用来实现PSK。最简单的方法，只使用两个信号相位- 0°和180°-通常被称为二进制PSK (BPSK)。0°对应逻辑1,180°对应逻辑0。接收到的每个比特的状态根据前一个比特的状态来确定。如果波的相位不改变，信号状态保持不变(低或高)。如果波的相位反转，即变化180°，则信号状态发生变化(从低到高，或从高到低)。

PSK编码很容易实现与DDS产品。大多数设备都有一个单独的输入寄存器(相位寄存器)，可以加载相位值。这个值直接加到载波的相位上，而不改变载波的频率。改变这个寄存器的内容调制载波的相位(从而产生PSK输出信号)。对于需要高速调制的应用，AD9834允许使用专用输入引脚(PSELECT)选择预加载的相位寄存器;切换该引脚可根据需要调制载波。

可采用其他相位角。更复杂的PSK形式采用四到八个不同的阶段。这使得二进制数据可以以比BPSK调制更快的速率传输。例如，在四相调制中，正交PSK (QPSK)，可能的相位角为0°，+90°，-90°和180°;每个相移可以表示两个数据位。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四个相位寄存器，通过不断更新寄存器的不同相位偏移来实现复杂的相位调制方案。

声纳浮标的应用:DDS在声纳浮标通信中很有用。声纳浮标是一种在水中捕捉海洋环境声音的装置。声呐浮标的常见应用是对地震事件和水下目标(如潜艇和鲸鱼)的探测、定位、识别和跟踪。声纳浮标阵列可以用来确定目标的位置、速度和方向。

声纳浮标有四个主要组成部分:浮子、收发器、电池和水听器。水听器是一种水下传感器，它可以将声压波转换成电压，然后放大并发送到水面浮子上。射频信号由天线和射频接收器接收，通常安装在飞机或船上。

主动声纳浮标发射声波，声波从物体上反弹。从反射信号可以确定到目标的距离和方向。换能器用于将声波引入水中并操纵返回的回声，然后将其放大以进行甚高频传输。被动式声呐浮标不发出任何声音;他们只是坐着听传入的声音。在这两种情况下，数据都被传输回船只或飞机，通常使用扩频通信，其中频率快速跳跃，类似于随机噪声。DDS通常用于在发射和接收部分提供跳频。

AD9834是声纳浮标发射机部分的理想敏捷频率源(图7)。典型的发射频率为136 MHz至174 MHz。

用于GPS定位的典型接收机的框图如图8所示。

声纳浮标的接收部分由GPS天线、低噪声放大器和下变频前端级组成。下变频由DDS驱动。来自前端的信号被采样和数字化，得到的数据流(包含天线范围内所有GPS卫星的扩频数据)被传递给相关器进行扩频处理。相关过程的输出由CPU转换为声纳浮标的坐标。

由于其微调能力，DDS对发送器和接收器都有好处。AD9833/AD9834的低功耗(25 mW)和低成本使其成为电池供电的一次性应用(如声纳浮标)的理想解决方案。

光纤通道识别:使用光波在光纤电缆上进行通信，比使用铜芯技术大大增加了带宽和容量。通过使用波分复用(WDM)可以以相对较低的成本提供的多个信道，容量进一步增加。

波分复用包括从各种同时输入的数据流中组合不同的光波长(颜色)，并通过一根光纤传输这些通道的总和(“白光”)。在同一条链路中可以混合使用不同的协议。在接收端，光被分成它的分量，然后解调。

虽然所有的信号都是同时传输的，但希望能确定信号是从哪个信道发出的。区分通道的一种方法是向每个通道的数字数据中添加具有可识别参数(例如幅度、频率、相位等)的导频信号。在光发射机中，通过改变流过激光二极管的电流来增加导频信号。图9显示了这是如何完成的。

ADN2847激光二极管驱动器的工作速率在50 Mbps到3.3 Gbps之间。IDTONE的外部吸收电流为WDM中的光纤识别提供，在最小Imod的2%到最大Imod的10%的可能范围内调制光1电平。AD9834产生调制波形，并通过控制500欧姆电阻上的电压来控制从IDTONE流出的电流。IMMON上的直流电流反映调制电流，用于反馈回路中，通过R(SET)引脚控制AD9834的输出电平。

结论

直接数字合成产生具有数字可调高分辨率相位和频率的波形，在测试，测量和通信中的各种应用中都很有用。集成电路DDS器件结构紧凑，功耗小，占用空间小，成本低，易于应用。