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省电设计将DDS的灵活性扩展到便携式设备
作者:Ken Gentile, Jeff Keip
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本文介绍的创新设计结合了低功耗特性和可编程模数架构,将调制和输出频率控制提升到更高水平。

直接数字频率合成(DDS)具有快速频率切换和调制能力,应用广泛。但是,当低功耗和低成本是主要考虑因素时,DDS常常不得不退居其次,让位于模拟锁相环(PLL)。ADI公司的AD9913改变了这一局面,不仅能在125 MHz输出带宽范围提供DDS技术的快速切换和调制灵活性,而且具备与PLL相似的低功耗特性,其功耗仅有大约50 mW。

DDS解决方案的功耗一直比较高。例如AD9850,它是20世纪90 年代中期推出的首批DDS产品之一,集成数模转换器(DAC),在50 MHz输出带宽时的功耗为380 mW。而AD9913采用了创新技术,其带宽功耗比相对于AD9850提高了20倍。

AD9913带给便携式和/或仪器仪表应用的好处主要有三方面:50 mW的低功耗使得手持式和其它便携式应用也能受惠于DDS技术;可编程模数架构对于网络时钟和仪器仪表应用是一项有吸引力的特性,它支持合成同一速率的任意有理分数(两个整数的比)的频率。传统的DDS只能合成同一速率的分母为2的幂的有理分数频率,例如1/4和5/16,而AD9913则不受“2 的幂”限制,它能产生同一速率的任意有理分数频率,如1/10、3/7 或286/11487等,只要它们处于AD9913的编程范围内;最后,AD9913像ADI公司的一些早期DDS产品一样,能够极其灵活地产生多种波形。

AD9913采用了多项创新省电技术,从而实现低功耗特性。第一项创新涉及到DDS的相位幅度转换部分,该部分根据一个正弦和/或余弦函数将相位累加器产生的瞬时相位值转换为幅度值。传统上,此任务由一个只读存储器(ROM)查找表来执行。然而,随着DDS技术的速度不断提高,结构日益复杂,ROM方法的功耗负担已变得不可接受,这就需要使用一个专有角度-旋转(angle-rotation)算法,依靠计算引擎来执行正弦和/或余弦转换。角度-旋转算法方法可以追溯到AD9850,相比于ROM查找表方法,其功耗大大降低。如果不采用角度-旋转算法,许多早期DDS产品将需要特殊的散热封装来适应更高的功耗。此外,散热考虑还可能会使我们不得不减去现有DDS产品上的许多有用功能,例如:对DDS 输出信号的数字相位和/或频率调制、利用数字滤波降低sin(x)/x损耗、针对多通道应用使用多个DDS内核。

第二项重大省电突破可以归功于ADI公司已获专利的相位交错DDS架构(美国专利第6,587,863 号)。相位-旋转算法实现的节能降耗使得我们可以考虑在同一芯片上运行多个DDS内核。我们发现,以较低采样速率运行多个DDS内核的功耗小于以极高采样速率运行一个DDS内核的功耗,这是一项非常有意义的突破,因为要充分利用新型高分辨率(14 位或更高)、高采样速率(1 GHz或更高)数模转换器(DAC)内核必须创新DDS技术。交错DDS架构使得设计工程师能够集成多个已经降低功耗的DDS内核,并且以低于高频DAC内核的采样速率运行这些内核。这种创新架构连同180 nm CMOS制造工艺的采用,导致DDS输出带宽显著提高,而功耗只比上一代低频DDS产品略有增加。

然而,对于手持式和便携式应用,即使有了上述创新,功耗仍然显得过大。为了解决这一问题,还需要一项创新。为此,我们对角度-旋转算法进行改进,推出一种新的专有算法,以便进一步降低DDS内核的功耗。新算法与注重低功耗操作的设计原则相结合,使得设计工程师能够实现期望的低功耗设计目标。新的设计原则包括:关闭特定工作模式不需要的所有多余内部时钟,以及在不会降低频谱性能或不当地限制带宽的前提下,削减每个电路模块的功耗。

这些创新的成果就是AD9913,其采样速率最高可达250 MHz,而功耗仅有50 mW。在250 MHz的采样速率下,可用带宽约为100 MHz。AD9913的这种输出频率能力和低功耗特性使它特别适合各种无线电控制单元,以及用于条形码和射频识别(RFID)标签的无线扫描器。然而,对于要求100 MHz以上带宽的应用,必须使用一个辅助PLL进行上变频。其它能够受益

于低功耗DDS技术的手持式/便携式应用包括:软件无线电(SDR)、远程或便携式有线电视测试设备、医疗血糖仪、无线火灾报警,以及频谱分析仪和波形发生器等电子测量设备。

独特的架构

图1显示了AD9913在标称输出频率100 MHz下的低功耗特性。图中的曲线对应三种不同的工作模式(单音、线性扫描和可编程模数)和两种REFCLK输入驱动方式(直接由差分源驱动或直接由单端源驱动,内部PLL禁用)。

AD9913区别于传统DDS器件的地方在于其独特的可编程模数架构。传统的DDS依靠相位累加器来分辨频率,累加器的大小(位数)决定DDS的频率分辨率。

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如果相位累加器具有C位分辨率,则传统DDS提供的频率分辨率为fS/2C,其中fS为DDS的采样速率。数字调谐字M可以是从0到2C-1 –1的任意整数。理论上,允许的调谐字范围是从2C-1到2C-1,但这会导致奈奎斯特镜像频率(即计数器旋转相量)的合成。根据数字调谐字和DDS 采样速率(fS)可以列出熟悉的DDS频率合成方程式,其中fO为DDS输出频率:

fO/fS= M/2C         (1)

因为M必须为整数,所以对于给定的采样速率,传统DDS只能合成2C-1个独特的频率。也就是说,当M = 0时,输出频率为0 (DC);当M= 2C-1–1 时,输出频率只差0.5fS。所有剩余的输出频率都是fS2C(DDS 的频率分辨率)的增量。多数情况下,如此精密的频率分辨率是非常令人满意的。例如,AD9913拥有一个32位累加器,其频率分辨率为(250 MHz)/232,或者大约0.058 Hz。

现在考虑这样一种情况:一个传统DDS具有一个32位累加器,要求利用它来合成一个恰好为采样速率的1/1000的输出频率。这意味着fO/fS = 1/1000,将它代入方程式1的左边并求解M可得:M = 232/1000,或M = 4294967.296。该M 显然不是整数,但传统DDS要求M必须是整数值,因此使用它的最接近整数值,本例为4,294,967。问题在于,使用这个调谐字不能精确地合成0.001fS的频率,而是合成大约0.000999999931fS的频率。在某些应用中,例如网络时钟应用,这一细微的偏差是不可接受的。

传统DDS中的C位相位累加器导致模数(N)是固定的,即N =2C。可编程模数DDS 架构对相位累加器进行了巧妙的改造,使得模数可以是满足条件1 ≤ N ≤ 2C的任意整数。也就是说,N值可以由用户设定。对于可编程模数DDS 架构,当N = 1或N = 2 时,合成的频率为0 Hz,因此可用的最小模数(用于产生DC以外的输出)为N = 3。

像传统DDS一样,可编程模数DDS也要求方程式1中的M为整数。然而,由于N是可编程的,因此DDS输出频率方程式变为:

fO/fS = M/N         (2)

方程式2乍看之下平淡无奇,实则颇具意义。考虑选择特定模数N = 2C的情况,此时可以合成的频率集与传统DDS相同。然而,可编程模数DDS不仅包括传统DDS的整个频率集,而且包括许许多多的其它频率。这是因为,每个特定的N值(从3 到2C)都对应与M (1 ≤M <0.5N - 1)相关的所有频率。对于任何给定的采样速率,它所代表的可能输出频率集远远大于传统DDS。

可编程模数架构的优势在于,几乎所有的有理数频率比都可以合成。例如,现在令M = 1、N = 1000,就可以精确合成fO =fS/1000 的频率。事实上,不仅可以合成fO = fS/1000,还能合成fS/1000 的各次谐波(最高499次,即最高谐波次数为0.5N-1)。

在发展可编程模数的同时保持低功耗绝不是轻而易举的小事一桩。看起来似乎很简单,只要增加一些额外的逻辑来改造传统的累加器,迫使它在新模数值时翻滚,但不要忘了,原来的DDS省电创新涉及到角度-旋转算法,它正是基于累加器模数为2的幂这一情况而实现高效运行的。当累加器模数变为2的幂以外的值时,将无法使用省电的角度-旋转算法。

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累加器改进的巧妙之处体现在两方面。第一,它一方面允许模数变化,另一方面仍然满足角度-旋转算法的“2 的幂”要求。第二,它在实现第一点的同时,将对杂散性能的影响降至最低程度。在图2 和图3 中,频谱分析仪的扫描频率范围均为0 Hz至125 MHz,AD9913以250 MHz的采样速率工作。图2中,AD9913配置为传统DDS,频率调谐字为262,160,001 (f0 ≈15.26 MHz),这是传统DDS 能够实现的最接近M/N =1,000/16,383的值。图3则使用可编程模数设置。两种情况的频率差仅为大约0.00136 Hz(约1 MHz)。除了杂散成分略有不同外,两条迹线看起来几乎完全一致。

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尽管功耗非常低,但AD9913并未减损波形发生能力,仍然能够产生线性频率或相位随时间而以斜坡形式变化的波形。用户设置起点和终点(频率为32位,相位为14位)。两个斜坡方向(从起点到终点和从终点到起点)的步长和步进速率参数都是可以独立编程的。利用这些控制参数和其它用户控制的特性,可以产生多种多样的调制输出信号。图4所示为波形发生能力的一个示例,显示了频率在6 μs 内从1MHz 扫描到10MHz的时域图(6 kHz 步长、4 ns间隔)。下方迹线的上升沿表示频率扫描的起点。到达10 MHz后,器件折回并保持1 MHz,因此迹线非常清楚地显示了频率扫描的终点。

像ADI公司的许多DDS产品一样,AD9913也集成了参考时钟乘法器,支持设计人员使用低频时钟源。除了直接利用高频时钟源来驱动该器件外,设计人员还可以将低频时钟源或晶体谐振器与AD9913集成的PLL(1X 至64X)频率乘法器一起使用,产生所需的250 MHz内部采样时钟。采样直接时钟信号时,AD9913的参考时钟(REFCLK)输入端口接受差分或单端信号源。
文章内容仅供参考 (投稿) (9/19/2011)
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