直接數字頻率合成器的製造方法
2023-05-16 07:51:51
直接數字頻率合成器的製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種直接數字頻率合成器，包括頻率源，頻率源向相位累加器輸出頻率信號，相位累加器還接收頻率控制字寄存器輸出的信號，頻率控制字寄存器為並行輸入的寄存器，相位累加器向正弦波形發生器輸出信號，正弦波形發生器輸出的信號經數模轉換器輸出，其中，頻率控制字寄存器、相位累加器以及正弦波發生器由複雜可編程邏輯器件構成。本實用新型提供的直接數字頻率合成器結構簡單、生產成本低，且輸出的信號頻率穩定。
【專利說明】直接數字頻率合成器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及數字頻率源器件領域，尤其是一種直接數字頻率合成器。
【背景技術】
[0002]隨著數字電子技術的發展，現有的電子設備中大量使用各種各樣的晶片，頻率合成器作為向晶片提供時鐘頻率或工作頻率的器件，其工作性能及開發成本越來越受到人們的關注，人們希望頻率合成器的噪聲更低、雜散更小、頻率掃描的範圍更寬且切換速度更快。
[0003]常見的頻率合成器包括鎖相頻率合成器及直接數字頻率合成器(DDS，DirectDigital Synthesizer),鎖相頻率合成器易受頻率間隔和頻率轉換時間的限制,很難滿足輸出頻率快速變化和高速切換的要求。直接數字頻率合成器的切換時間可達到數十納秒量級，具有頻率切換速度快的特點，但是專用的直接數字頻率合成器晶片由於其內部結構固定，且一般採用串口實現頻率設置，需要專用控制器進行控制器，在需固定特殊頻點的合成信號場合顯得複雜且增加了成本。
[0004]現有的專用直接數字頻率合成器的結構如圖1所示，其具有頻率源11、頻率控制字寄存器12、相位累加器13、正弦波形發生器14、數模轉換器15以及濾波器16。頻率源11通常是晶體振蕩器，其產生穩定的初始頻率並提供給相位累加器13，頻率控制字寄存器12接收控制信號並向相位累加器13輸出信號，相位累加器13將信號輸出至正弦波形發生器14，由正弦波形發生器14產生正弦波信號，正弦波信號經數模轉換器15以及濾波器16後輸出。
[0005]但是，現有的專用直接數字頻率合成器為集成晶片，其將高速的數模轉換器15集成在晶片內部，數模轉換器15輸出的信號為階梯正弦波的模擬信號，需要使用濾波器16濾除不必要的雜散和諧波信號才能使用。濾波器16通常是寬帶低通濾波器，由於濾波器16的頻率上限由直接數字頻率合成器輸出頻率的高端決定，如果低通濾波器的帶寬超過了直接數字頻率合成器的輸出頻率的倍頻程，其將無法過濾數模轉換器15輸出的雜散和諧波信號，尤其在直接數字頻率合成器輸出的信號中，頻率較高的採樣點很少時，濾波器16的濾波特能會非常差，影響了直接數字頻率合成器輸出的信號的穩定性。
【發明內容】
[0006]本實用新型的主要目的是提供一種輸出信號解析度高且控制靈活的直接數字頻率合成器。
[0007]本實用新型的另一目的是提供一種輸出信號頻率穩定的直接數字頻率合成器。
[0008]為實現上述的主要目的，本實用新型提供的直接數字頻率合成器包括頻率源，頻率源向相位累加器輸出頻率信號，相位累加器還接收頻率控制字寄存器輸出的信號，頻率控制字寄存器為並行輸入的寄存器，相位累加器向正弦波形發生器輸出信號，正弦波形發生器輸出的信號經數模轉換器輸出，其中，頻率控制字寄存器、相位累加器以及正弦波發生器由複雜可編程邏輯器件構成。
[0009]由上述方案可見，直接數字頻率合成器基於複雜可編程邏輯器件實現，且頻率控制字寄存器為並行輸入的器件，直接數字頻率合成器無需使用專用的控制器進行控制，使其控制靈活、簡單、方便。另外，由於直接數字頻率合成器自身具有輸出信號解析度高的特定，能夠滿足現有晶片的工作需要。
[0010]一個優選的方案是，數模轉換器具有R-2R電阻網絡，且R-2R電阻網絡的輸出端連接至運算放大器的輸入端。
[0011]由此可見，直接數字頻率合成器的數模轉換器使用R-2R電阻網絡實現，並由複雜可編程邏輯器件直接驅動，無需使用專用的數模轉換器，其生產成本低，消耗功率小。
[0012]進一步的方案是，正弦波形發生器為正弦波形查詢電路，相位累加器的高八位輸出埠向正弦波形查詢電路輸出信號，正弦波形查詢電路向R-2R電阻網絡輸出八位的驅動信號。
[0013]可見，正弦波形查詢電路只接收相位累加器輸出的高八位信號，即捨棄其他的信號，這樣能夠簡化正弦波形查詢電路，降低直接數字頻率合成器的生產成本。
[0014]更進一步的方案是，數模轉換器向窄帶跟蹤調諧電路輸出正弦波信號，且窄帶跟蹤調諧電路向寬帶緩衝放大器輸出信號。
[0015]由此可見，通過調節窄帶跟蹤調諧電路可以使所選頻率點都處於最佳的諧振狀態，顯著地消除正弦波頻率信號中的雜散與諧波成份，提高輸出的頻率信號的穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是現有直接數字頻率合成器的電原理框圖。
[0017]圖2是本實用新型實施例的電原理框圖。
[0018]圖3是本實用新型實施例中頻率源的電原理框圖。
[0019]圖4是本實用新型實施例中頻率控制字寄存器、相位累加器、正弦波發生器、窄帶跟蹤調諧電路及寬帶緩衝放大器的電原理圖。
[0020]圖5是本實用新型實施例中相位累加器與正弦波發生器連接的電原理圖。
[0021]以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。
【具體實施方式】
[0022]本實施例的直接數字頻率合成器用於向晶片輸出頻率信號，作為晶片的時鐘頻率或者其他工作頻率使用。
[0023]參見圖2，本實施例具有恆溫晶體振蕩器21、倍頻電路22、頻率控制字寄存器23、相位累加器24、正弦波形發生器25、數模轉換器26、窄帶跟蹤調諧電路27以及寬帶緩衝放大器28。
[0024]恆溫晶體振蕩器21以及倍頻電路22構成本實施例的頻率源，其中恆溫晶體振蕩器21的振蕩頻率為IOM赫茲，且振蕩頻率不會因溫度的改變而改變，確保向倍頻電路22輸出穩定的初始頻率。
[0025]參見圖3，倍頻電路22包括緩衝器31、倍頻器32、緩衝器33以及倍頻器34，其中倍頻器32、34均為5倍的倍頻器，因此倍頻電路22將恆溫晶體振蕩器21輸出的信號的頻率實現25倍的倍頻後，輸出至相位累加器24。由於倍頻電路22使用兩個倍頻器32、33進行倍頻處理，每一個倍頻器32、34的結構相同，且電路簡單，倍頻後的信號頻率較為穩定。同時，使用兩個緩衝器31、33對頻率信號進行緩衝處理，使倍頻電路22輸出的信號更為穩定、精準。
[0026]本實施例中，頻率控制字寄存器23、相位累加器24以及正弦波形發生器25均由複雜可編程邏輯器件(CPLD, Complex Programmable Logic Device)構成，因此,本實用新型的直接數字頻率合成器是基於複雜可編程邏輯器件實現的直接數字頻率合成器。
[0027]參見圖4，頻率控制字寄存器23為並行輸入的數據寄存器，存儲頻率控制數據，因此能夠同時從多個輸入埠接收數據，數據的接收速度較快，其控制更為簡單。頻率控制字寄存器23接收外部輸入的控制數據，並將控制數據暫存其中。另外，頻率控制字寄存器23的輸出端連接至相位累加器24，向相位累加器24輸出信號。
[0028]相位累加器24的位數可根據直接數字頻率合成器的實際工作要求的解析度靈活選取。本實施例中，相位累加器24為32位，若直接數字頻率合成器的輸出頻率為250M赫茲，則其解析度約為0.0582赫茲，能夠滿足大部分晶片的工作要求。
[0029]本實施例中，正弦波形查詢電路25構成正弦波形發生器，其接收相位累加器24輸出的信號，同時也接收倍頻電路22輸出的頻率信號。正弦波形查詢電路25存儲有在不同相位下每一頻率信號的幅值數據，因此正弦波形查詢電路25的存儲單元具有多個字節，每一字節存儲一個八位的二進位數據。本實施例中，綜合考慮直接數字頻率合成器的精度、誤差及複雜可編程邏輯器件佔用資源等因素，正弦波形查詢電路25的存儲容量為256位元組。
[0030]正弦波形查詢電路25中的存儲單元的字節越多，則其輸出的信號中採樣點越多。但是，當相位累加器24輸出的信號的頻率很高時，大多數採樣點的數值被捨棄。本實施例的正弦波形查詢電路25選用帶有256個字節的存儲單元，每字節八位二進位，其共有八位地址線以及八位數據線。正弦波形`查詢電路25與並行輸入的相位累加器24的高八位的埠並行連接，相位累加器24其他位的數據被捨棄。
[0031]正弦波形查詢電路25並行地向模數轉換器26輸出信號，參見圖5,數模轉換器26具有R-2R電阻網絡以及運算放大器，其中R-2R電阻網絡具有多個電阻，如電阻Rl、R2…R8以及電阻R11、R12…R19，其中，電阻R1、R2…R8中每一個電阻的阻值相等，且電阻R11、R12…R19的每一個電阻的阻值也相等，且電阻Rl的阻值是電阻Rll阻值的一半。
[0032]電阻R12、R13?"R19的一端分別連接至正弦波形查詢電路25的一個輸出埠，因此正弦波形查詢電路25並行地向R-2R電阻網絡輸出八位的驅動信號。
[0033]R-2R電阻網絡為低誤差的電阻網絡，其將正弦波形查詢電路25輸出的頻率信號轉換成正弦階梯頻率信號輸出，R-2R電阻網絡輸出的信號經高速運算放大器Al緩衝放大後輸出。從圖5可見，R-2R電阻網絡的輸出端連接至運算放大器Al的輸入端，運算放大器Al的輸出端向窄帶跟蹤調諧電路27輸出正弦波信號。
[0034]參見圖4，窄帶跟蹤調諧電路27具有電容Cl、二極體D1、D2、並聯連接的可調電容C2以及電感LI。通過調節可調電容C2的電容值，可以使窄帶跟蹤調諧電路27對所選頻率處於最佳調諧狀態。
[0035]窄帶跟蹤調諧電路27能有效消除正弦波形查詢電路26輸出的正弦階梯頻率信號中的雜散與諧波成份。並且，窄帶跟蹤調諧電路27的電壓可受控於頻率控制字寄存器23所存儲的頻率控制數據，即窄帶跟蹤調諧電路27還接收頻率控制字數據寄存器23輸出的信號，從而調節輸出頻率的調諧狀態。
[0036]電感LI的信號耦合到電感L2上，並由此將信號輸出至寬帶緩衝放大器28，因此，直接數字頻率合成器輸出的信號由寬帶緩衝放大器28輸出。
[0037]由於直接數字頻率合成器採用複雜可編程邏輯器件實現，其具有使用專用集成晶片實現的直接數字頻率合成器所具有的頻率解析度高的優點，又具有複雜可編程器件靈活、控制方便的特點。並且，複雜可編程邏輯器件的輸出端直接連接至R-2R電阻網絡，省去了專用的模數轉換集成晶片，使直接數字頻率合成器具有功耗低、響應速度快的優點，並降低了直接數字頻率合成器的電路複雜性。
[0038]另外，窄帶跟蹤調諧電路可以使直接數字頻率合成器所選頻率點都處於最佳的諧振狀態，顯著地消除正弦階梯頻率信號中的雜散與諧波成份，提高輸出信號的頻譜純度。
[0039]頻率源採用恆溫的晶體振蕩器21及倍頻電路22構成，且輸出信號的頻率特性優於專用集成晶片內部的鎖相倍頻電路，大大降低了時鐘源的相位噪聲。同時外部輸入的高穩IOM赫茲時鐘信號還可同步控制機內晶體振蕩器，可使時鐘達到很高的頻率穩定度。
[0040]當然，上述實施例僅是本實用新型較佳的實施方式，實際使用時，還可以有更多的改變，例如，相位累加器與正弦波形查詢電路連接位數可以是八位以上；或者，窄帶跟蹤調諧電路的具體電路結構可以根據實際使用情況調整，這些改變並不影響本實用新型的實施。
[0041]最後需要強調的是，本實用新型不限於上述實施方式，如倍頻電路的倍頻倍數的改變、相位累加器存儲字節數量的改變等變化也應該包括在本實用新型權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1.直接數字頻率合成器，包括 頻率源，所述頻率源向相位累加器輸出頻率信號，所述相位累加器還接收頻率控制字寄存器輸出的信號，所述頻率控制字寄存器為並行輸入的寄存器，所述相位累加器向正弦波形發生器輸出信號，所述正弦波形發生器輸出的信號經數模轉換器輸出； 其特徵在於: 所述頻率控制字寄存器、所述相位累加器以及所述正弦波發生器由複雜可編程邏輯器件構成。
2.根據權利要求1所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述數模轉換器具有R-2R電阻網絡。
3.根據權利要求2所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述R-2R電阻網絡的輸出端連接至運算放大器的輸入端。
4.根據權利要求2所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述正弦波形發生器為正弦波形查詢電路，所述相位累加器的高八位輸出埠向所述正弦波形查詢電路輸出信號，所述正弦波形查詢電路向所述R-2R電阻網絡輸出八位的驅動信號。
5.根據權利要求1至4任一項所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述數模轉換器向窄帶跟蹤調諧電路輸出正弦波信號。
6.根據權利要求5所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述窄帶跟蹤調諧電路具有並聯連接的可調電容以及電感。
7.根據權利要求5所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述窄帶跟蹤調諧電路接收所述頻率控制字寄存器輸出的信號。
8.根據權利要求5所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述窄帶跟蹤調諧電路向寬帶緩衝放大器輸出信號。
9.根據權利要求1至4任一項所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述頻率源具有恆溫晶體振蕩器。
10.根據權利要求9所述的直接數字頻率合成器，其特徵在於: 所述恆溫晶體振蕩器向倍頻電路輸出初始頻率信號，所述倍頻電路將所述初始頻率信號倍頻後輸出至所述相位累加器。
【文檔編號】H03L7/16GK203377864SQ201320444179
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月24日 優先權日:2013年7月24日
【發明者】邱二虎, 陳永泰, 胡國絳, 王興龍 申請人:珠海市光辰科技有限公司