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干货 | 3分钟摸清直接数字合成技能(DDS)的门道_相位_正弦波

落叶飘零 2024-09-13 22:30:27 0

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为了便于大家理解,现假设DDS有一个固定的时钟MCLK——36MHz,那么每个脉冲的周期则为27.78ns。
下面再为大家附上一个正弦波的“相位—幅度”表格,它具有足够周详的相位步长,比如0.01°,那么一个完全的正弦波表,就须要36000个点。

如下表1所示。
N为表格中数据点序号,phase为该点对应的正弦波相位,Am对该当相位处的正弦波打算值,介于-1 ~ +1之间。
Data_10为正弦波打算值转换成10位数字量的10进制表示,用一个10位DAC描述正弦波,sin(0°)应为DAC全部范围的中央,即512。
sin(90°)则为最大值1023,而sin(270°)则为最小值0。

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表1:相位—幅度

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(图片来自网络侵删)

从表1可以看出,在相位从0°开始,一贯到第12个点(即序号11,相位为0.11°),虽然正弦波幅度一贯在增加,但始终没有增加到全幅度的1/1024,即2/1024=0.001953125,因此用DAC表达一贯为512,直到第13个点(序号12,相位0.12°),正弦波打算值为0.0020944,DAC才变为513。
这一段的细微变革(即前100个点)不才图1已给出。
只管管中窥豹,但可以想象,这36000个点记录了一个标准正弦波的全部。

图1. DDS表中36000点正弦波的前100点

下面再将此表首尾衔接。
假设相位步长为m=1,则DAC以MCLK为节拍,依序产生发火:第一个CLK时,DAC输出N=0时对应的DATA_OUT,即512,第2个CLK时,DAC输出N=1时对应的DATA_OUT,也是512……,可以想象,36000个CLK后,一个完全的正弦波被输出了一遍。
从36001个CLK开始,又一次循环开始。
如此往来来往,一个个正弦波接连不断被产生发火出来。

现在算一算,这个产生发火正弦波的频率是多少?显然,36000个CLK为正弦波的周期,(即1ms)其频率为1kHz。
公式为:

对上式参量的理解极为主要:个中,TMCLK为DDS主振时钟周期,即1/36MHz,约为27.78ns,Nmax为表格总点数,m为循环增加中的步长,如果m=1则意味着对表格一个不落的扫一遍,如果m=2,则意味着隔一个扫一遍。
m越大间隔越大,扫完须要的韶光越短。
那么,

就代表着完成一次表格的全扫描须要的动作次数。
DDS的核心思想就建立在上述公式上。
改变步长m,可以改变输出频率:

① 当m=1,则输出最低频率,即:

②当m每增加1,则输出频率增加

,这也是DDS能够供应的频率最小分辨:

③ 当m增加到表格点数Nmax的1/1800,即20时,解释每次DAC产生发火,会跳过表格中的20个点,或者说一个扫完一个正弦波全表,只须要1800个点。
此时,样点变革规则如图1中的赤色圆点。
可以算出,这样输出正弦波的频率应为:

图2是三种情形下扫出的正弦波图,分别是m=1,m=30,m=300,可以看出随着m的增大,输出频率也在同比例增加。

图2. 三种m得到的三种频率正弦波

④ 当m增大到全表总数Nmax的1/4,即9000时,解释只须要4个点就可以扫完正弦波全表,此时DAC输出的正弦波,实在已经不再是正弦波,而是一个标准的三角波了,该波形只有4个相位点,分别是0°,90°,180°,270°。

⑤ 样点总数除以m不即是整数可以吗?答案是,可以。
为了显示清晰,我们假设两种情形,m=40,它可以被36000除尽,为900,即每900个点可以扫描完正弦波表;m=41,不能被36000除尽,为878.0487804878……。
由此得到两组数据如下表。

可以看出,对m=40的情形,第900点的相位为360°,即重新开始了又一个正弦波。
它的周期为:

而对m=41,第878点,相位为359.98°,属于第一个周期,第879点,相位为360.39°,开始了一个新周期,但是出发点不再是0°,而是0.39°。
这样,它的每个正弦波,与紧邻的另一个正弦波,其相位都是不同的。
但是,这丝毫不会影响总体上呈现出如下频率:

由此数据得到的波形如图3所示。
你能看出41kHz正弦波,其第二个周期与第一个周期有什么不同吗?你根本看不出。

图3. m=40和41得到的正弦波

DDS内核组成

DDS技能的核心由相位累加器PA,相位幅度表和数模转换器DAC组成。
以一个28位数的相位累加器为例,它可以计数0~228,或者说,它的相位表点数为228=268435456点,远比36000样点多得多,这解释实际的DDS在相位分辨上比前述举例更加周详。

利用者须要输入一个计数步长m,当然m一定要小于228,此后外部时钟MCLK每涌现一个脉冲,则PA完成一次累加。
如图4所示,赤色秒针以m为步长,逆时针旋转,它完成一个周期360°的旋转,须要的韶光为:

而赤色秒针完成一个周期360°的旋转,恰好输出一个完全周期正弦波,因此,正弦波频率为:

当m取1时,可以得到最低输出频率为:

理论上,当m取227,可以得到最高输出频率为:

m每增加1,则会使得输出频率得到一个增量,即为最小输出频率:

图4中,内部相位累加用具有28位,而外部相位累加器则不须要如此风雅,一样平常仅须要14位即可。
这就像你干活挣钱,每件可以挣钱1分,第一天干了272851件,折合272.851元,第二天干了291237件,折合291.237元,这可以风雅计数,但到了发人为的时候,一个月累计6164.875元,可能你会得到6164.9元,就不须要如此风雅了,由于这种风雅是须要本钱的。

图中的相位幅度表,是靠存储器实现的,存储器数量太大,自然会导致DDS芯片本钱升高。
而累加器,做成28位,仅仅是多几个级联的计数器而已。
其余,对DDS而言,输出正弦波采取的DAC,也不须要位数过高,多数为10位,也有14位的。

图4. DDS事情事理

为了用户利用方便,DDS内部还具有相位失落调寄存器,这可以让DDS输出从某个规定相位开始。
详细的DDS内核组成,还应以详细芯片为准,此处不一一赘述。

DDS技能的上风与弊端

DDS的上风在于可以发出从极低频率到极高频率范围的正弦波,且频率增量极低。
以AD9834为例,它具有28位的超风雅相位累加器,可承受最高75MHz的MCLK,因此,在75MHz主振情形下,它的频率最小分辨为0.279Hz,可以发出从0.279Hz到37.5MHz,频率步长为0.279Hz的正弦波。
至于输出频率到底是多少,完备取决于利用者设置的m。
在DDS核心技能中,可以实现如下功能:

可以风雅选择输出频率,实现从低到高的频率选择。
可以快速跳频,且能够担保相位连续,这在仿照旗子暗记发生器中是难以实现的。
可以实现正交输出,可以实现相位设置。
可以实现正弦波、三角波,合营比较器可以实现同频同相方波输出。

此外,在发出高质量正弦波中,DDS技能无法实现超低失落真度,是其最大的弊端。
DDS技能中采取的DAC最高为14位,其积分非线性INL不可能做到很小。
其次,其DAC一样平常均采取普通DAC,没有为降落失落真度做出更多的考虑。
且目前的DDS实现的正弦波输出,其失落真度一样平常只能做到-80dB旁边。

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