直接數字合成技術(DDS)是什么？DDS又是如何工作的？

直接數字合成技術(DDS)是一種頻率合成技術，用于產生周期性波形。目前，從低頻到上百MHz的正弦波、三角波產生，絕大多數采用的是DDS芯片完成，甚至于買來的信號源，皆是采用DDS實現。

直接數字合成技術(DDS)是一種頻率合成技術，用于產生周期性波形。目前，從低頻到上百MHz的正弦波、三角波產生，絕大多數采用的是DDS芯片完成，甚至于買來的信號源，皆是采用DDS實現。

為了便于大家理解，現假設DDS有一個固定的時鐘MCLK——36MHz，那么每個脈沖的周期則為27.78ns。下面再為大家附上一個正弦波的“相位—幅度”表格，它具有足夠細密的相位步長，比如0.01°，那么一個完整的正弦波表，就需要36000個點。

N為表格中數據點序號，phase為該點對應的正弦波相位，Am對應該相位處的正弦波計算值，介于-1 ~+1之間。Data_10為正弦波計算值轉換成10位數字量的10進制表示，用一個10位DAC描述正弦波，sin(0°)應為DAC全部范圍的中心，即512。sin(90°)則為最大值1023，而sin(270°)則為最小值0。

在相位從0°開始，一直到第12個點（即序號11，相位為0.11°），雖然正弦波幅度一直在增加，但始終沒有增加到全幅度的1/1024，即2/1024=0.001953125，因此用DAC表達一直為512，直到第13個點（序號12，相位0.12°），正弦波計算值為0.0020944，DAC才變?yōu)?13。這一段的細微變化（即前100個點）在下圖1已給出。盡管管中窺豹，但可以想象，這36000個點記錄了一個標準正弦波的全部。

圖1. DDS表中36000點正弦波的前100點

下面再將此表首尾銜接。假設相位步長為m=1，則DAC以MCLK為節(jié)拍，依序發(fā)作：第一個CLK時，DAC輸出N=0時對應的DATA_OUT，即512，第2個CLK時，DAC輸出N=1時對應的DATA_OUT，也是512……，可以想象，36000個CLK后，一個完整的正弦波被輸出了一遍。從36001個CLK開始，又一次循環(huán)開始。如此往復，一個個正弦波接連不斷被發(fā)作出來。

現在算一算，這個發(fā)作正弦波的頻率是多少？顯然，36000個CLK為正弦波的周期，（即1ms）其頻率為1kHz。公式為：

對上式參量的理解極為重要：其中，TMCLK為DDS主振時鐘周期，即1/36MHz，約為27.78ns，Nmax為表格總點數，m為循環(huán)增加中的步長，如果m=1則意味著對表格一個不落的掃一遍，如果m=2，則意味著隔一個掃一遍。m越大間隔越大，掃完需要的時間越短。那么，

就代表著完成一次表格的全掃描需要的動作次數。DDS的核心思想就建立在上述公式上。改變步長m，可以改變輸出頻率：

① 當m=1，則輸出最低頻率，即：

②當m每增加1，則輸出頻率增加

，這也是DDS能夠提供的頻率最小分辨：

③ 當m增加到表格點數Nmax的1/1800，即20時，說明每次DAC發(fā)作，會跳過表格中的20個點，或者說一個掃完一個正弦波全表，只需要1800個點。此時，樣點變化規(guī)則如圖1中的紅色圓點?？梢运愠?，這樣輸出正弦波的頻率應為：

圖2是三種情況下掃出的正弦波圖，分別是m=1，m=30，m=300，可以看出隨著m的增大，輸出頻率也在同比例增加。

圖2. 三種m獲得的三種頻率正弦波

④ 當m增大到全表總數Nmax的1/4，即9000時，說明只需要4個點就可以掃完正弦波全表，此時DAC輸出的正弦波，其實已經不再是正弦波，而是一個標準的三角波了，該波形只有4個相位點，分別是0°，90°，180°，270°。

⑤ 樣點總數除以m不等于整數可以嗎？答案是，可以。為了顯示清晰，我們假設兩種情況，m=40，它可以被36000除盡，為900，即每900個點可以掃描完正弦波表；m=41，不能被36000除盡，為878.0487804878……。由此得到兩組數據如下表。

可以看出，對m=40的情況，第900點的相位為360°，即重新開始了又一個正弦波。它的周期為：

而對m=41，第878點，相位為359.98°，屬于第一個周期，第879點，相位為360.39°，開始了一個新周期，但是起點不再是0°，而是0.39°。這樣，它的每個正弦波，與緊鄰的另一個正弦波，其相位都是不同的。但是，這絲毫不會影響總體上呈現出如下頻率：

由此數據得到的波形如圖3所示。你能看出41kHz正弦波，其第二個周期與第一個周期有什么不同嗎？你根本看不出。

圖3. m=40和41得到的正弦波

DDS內核組成

DDS技術的核心由相位累加器PA，相位幅度表和數模轉換器DAC組成。以一個28位數的相位累加器為例，它可以計數0~228，或者說，它的相位表點數為228=268435456點，遠比36000樣點多得多，這說明實際的DDS在相位分辨上比前述舉例更加細密。

使用者需要輸入一個計數步長m，當然m一定要小于228，此后外部時鐘MCLK每出現一個脈沖，則PA完成一次累加。如圖4所示，紅色秒針以m為步長，逆時針旋轉，它完成一個周期360°的旋轉，需要的時間為：

而紅色秒針完成一個周期360°的旋轉，正好輸出一個完整周期正弦波，因此，正弦波頻率為：

當m取1時，可以得到最低輸出頻率為：

理論上，當m取227，可以得到最高輸出頻率為：

m每增加1，則會使得輸出頻率獲得一個增量，即為最小輸出頻率：

圖4中，內部相位累加器具有28位，而外部相位累加器則不需要如此精細，一般僅需要14位即可。這就像你干活掙錢，每件可以掙錢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，這可以精細計數，但到了發(fā)工資的時候，一個月累計6164.875元，可能你會得到6164.9元，就不需要如此精細了，因為這種精細是需要成本的。

圖中的相位幅度表，是靠存儲器實現的，存儲器數量太大，自然會導致DDS芯片成本升高。而累加器，做成28位，僅僅是多幾個級聯的計數器而已。另外，對DDS而言，輸出正弦波采用的DAC，也不需要位數過高，多數為10位，也有14位的。

圖4. DDS工作原理

為了用戶使用方便，DDS內部還具有相位失調寄存器，這可以讓DDS輸出從某個規(guī)定相位開始。具體的DDS內核組成，還應以具體芯片為準，此處不一一贅述。
DDS技術的優(yōu)勢與弊端

DDS的優(yōu)勢在于可以發(fā)出從極低頻率到極高頻率范圍的正弦波，且頻率增量極低。以AD9834為例，它具有28位的超精細相位累加器，可承受最高75MHz的MCLK，因此，在75MHz主振情況下，它的頻率最小分辨為0.279Hz，可以發(fā)出從0.279Hz到37.5MHz，頻率步長為0.279Hz的正弦波。至于輸出頻率到底是多少，完全取決于使用者設置的m。在DDS核心技術中，可以實現如下功能：

可以精細選擇輸出頻率，實現從低到高的頻率選擇。
可以快速跳頻，且能夠保證相位連續(xù)，這在模擬信號發(fā)生器中是難以實現的。
可以實現正交輸出，可以實現相位設置。
可以實現正弦波、三角波，配合比較器可以實現同頻同相方波輸出。

此外，在發(fā)出高質量正弦波中，DDS技術無法實現超低失真度，是其最大的弊端。DDS技術中采用的DAC最高為14位，其積分非線性INL不可能做到很小。其次，其DAC一般均采用普通DAC，沒有為降低失真度做出更多的考慮。且目前的DDS實現的正弦波輸出，其失真度一般只能做到-80dB左右。