分辨率優(yōu)于 16 位的高精度快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的交流性能測試和驗證需要一個近乎完美的正弦波發(fā)生器，至少能夠覆蓋 0 kHz 至 20 kHz 音頻帶寬。通常，使用昂貴的實驗室儀器來執(zhí)行這些評估和表征，例如 Audio Precision 的音頻分析儀 AP27xx 或 APx5xx 系列。大多數(shù)時候，具有 24 位或更多位的現(xiàn)代高速 SAR 和寬帶 Σ-Δ （Σ-Δ） ADC 具有單電源和全差分輸入，因此要求用于 DUT 的信號源為直流和交流準確，同時提供全差分輸出（180°異相）。同樣，這個交流發(fā)生器的噪聲和失真水平應該比這些 ADC 的規(guī)格要好得多，根據(jù)大多數(shù)供應商的規(guī)范，在 1 kHz 或 2 kHz 和高達 20 kHz 的輸入音調(diào)頻率下，本底噪聲電平遠低于 –140 dBc，失真低于 –120 dBc。圖 1 顯示了適用于高分辨率寬帶 ADC 的典型臺架測試設置的典型配置。最關鍵的組件是正弦波發(fā)生器（單音或多音），此處基于軟件的直接數(shù)字合成器 （DDS） 可以提供非常靈活的頻率分辨率和與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時鐘同步，以執(zhí)行相干采樣以避免泄漏和 FFT 窗口濾波。

只需音頻精密分析儀的一小部分成本，就可以設計一個非常精確的正弦波發(fā)生器處理器。一個相當快的浮點 DSP 將滿足實時預期并滿足所有算術和處理條件，以達到最先進的 SAR ADC 設置的失真和噪聲性能水平。利用 32 位或 64 位定點格式的全字數(shù)據(jù)長度架構的 NCO 相位累加和擴展的精密浮點 DSP 功能來執(zhí)行正弦逼近函數(shù)和用于整形的數(shù)字濾波器頻譜，

直接數(shù)字頻率合成

Joseph A. Webb1 于 1970 年 4 月提交的數(shù)字信號發(fā)生器合成器專利描述了可以被視為 DDS 機制的基礎，只需使用幾個數(shù)字邏輯模塊即可生成各種類型的模擬波形，包括正弦波。然后，在 1971 年初，Tierney 等人 2 的經(jīng)常引用的參考論文發(fā)表了關于通過深化正交生成的 DDS 操作來直接生成數(shù)字頻率及其對采樣系統(tǒng)理論的限制（字截斷和頻率規(guī)劃）。實際實現(xiàn)開始出現(xiàn)，主要依賴于分立的標準邏輯 IC，例如 TTL 74xx 或 ECL 10K 系列。不到 10 年后，斯坦福電信、高通、Plessey、和 ADI 公司的 AD9950 和 AD9955。邏輯 IC 架構旨在實現(xiàn)最佳速度、功率和成本折衷，基于查找表 （LUT），以確保相位、頻率和幅度分辨率有限的相位到正弦幅度轉(zhuǎn)換。如今，DDS 獨立集成電路很容易獲得，而數(shù)控振蕩器 （NCO） 往往大量集成在 RF DAC 中，例如AD9164或AD9174。盡管它們在多個 GHz 帶寬上的噪聲和線性度性能令人印象深刻，但這些器件都不適合測試LTC2378-20、AD4020或AD7768等中等速度、高分辨率 ADC 。

圖 1. 基于 IEEE 1241 標準的典型 ADC （ac） 測試設置的處理鏈。DDFS 使整個測量系統(tǒng)完全數(shù)字化，具有很多優(yōu)點，包括完全的靈活性和連貫的采樣采集。

與傳統(tǒng)的基于 PLL 的合成器相比，NCO 和 DDS 以其非常精細的頻率分辨率、快速的靈活性和易于生成完美正交的正弦/余弦而聞名。它們還因其寬帶寬覆蓋和直流精度而備受贊譽。它們的工作原理由數(shù)字信號處理和采樣系統(tǒng)理論支配，它們的數(shù)字特性允許對輸出信號的相位、頻率和幅度進行完全數(shù)字化和獨立控制。圖 2 的框圖描述了傳統(tǒng) DDS 的架構，它由三個主要功能組成：

N位相位累加器；

一種相位到正弦幅度轉(zhuǎn)換器，其特征在于 W 位截斷相位輸入字；

一個 D 位 DAC 及其相關的重構濾波器。

相位累加器圍繞一個簡單的 N 位加法器和一個寄存器構建，該寄存器的內(nèi)容以采樣時鐘 FCLK 的速率更新，輸入相位增量為 Δθ，通常也稱為頻率調(diào)諧字 （FTW）。累加器可以周期性溢出并像采樣或參考時鐘 FCLK 和 DDS 輸出頻率 FOUT 之間的小數(shù)分頻器一樣運行，或者像齒輪箱一樣分頻比等于：

相位累加器寄存器的輸出代表生成波形的當前相位。由于相位到正弦或相位到余弦映射器引擎，每個離散累加器輸出相位值隨后被轉(zhuǎn)換為幅度正弦或余弦數(shù)據(jù)或樣本。此功能通常通過存儲在 LUT （ROM） 中的三角函數(shù)值來實現(xiàn)，有時通過執(zhí)行正弦逼近算法或兩者的組合來實現(xiàn)。相位到正弦幅度轉(zhuǎn)換器的輸出饋送到 DAC，DAC 在濾波之前產(chǎn)生量化和采樣的正弦波，以平滑信號并避免頻譜混疊。DAC 有限分辨率施加的這種幅度量化對本底噪聲和合成器的最終信噪比 （SNR） 設置了理論限制。此外，作為混合信號設備，

基于圖 2 架構的實際正弦波形發(fā)生器實現(xiàn)的主要區(qū)別在于相位幅度轉(zhuǎn)換器模塊，由于數(shù)字無線電應用的市場導向，該模塊通常針對速度和功耗而不是高精度進行優(yōu)化。實現(xiàn)相位到正弦幅度轉(zhuǎn)換器的最簡單方法是使用 ROM 來存儲具有一對一映射的正弦值。不幸的是，LUT 的長度隨著相位累加器的寬度 N 和波表數(shù)據(jù)字精度 W 呈指數(shù)增長 （2N）。不幸的是，在減小累加器大小或截斷其輸出方面進行權衡會導致頻率分辨率的損失和 SFDR 的嚴重退化。結(jié)果表明，由相位或幅度量化引起的雜散遵循 –6 dB/bit 的關系。由于通常需要大的 N 來實現(xiàn)精細的頻率調(diào)諧，因此已經(jīng)推廣了幾種技術來限制 ROM 大小，同時保持足夠的雜散性能。簡單的壓縮方法通常通過利用正弦或余弦函數(shù)的四分之一波對稱性來將相位參數(shù)范圍縮小 4。為了進一步縮小范圍，相位累加器輸出的粗略截斷是事實上的方法，盡管它確實引入了雜散諧波。盡管如此，由于精細的頻率分辨率要求、內(nèi)存大小和成本折衷，這種方法總是被采用。已經(jīng)提出了各種角度分解方法來降低基于 LUT 的方法的內(nèi)存要求。結(jié)合使用各種類型的分段、線性或多項式插值的幅度壓縮，其想法是在 I/Q 合成的情況下準確逼近正弦函數(shù)的第一象限或 ［0， π/4］ 區(qū)間需要正弦和余弦函數(shù)。類似地，無需 ROM LUT 的復雜信號生成由基于角度旋轉(zhuǎn)的算法有效支持，只需在逐次逼近方案中調(diào)用移位和相加操作。以流行的 CORDIC 為代表的這種方法通常比其他方法更快，當硬件乘法器不可用時，或者出于速度或成本考慮，實現(xiàn)功能所需的門數(shù)應最小化（在 FPGA 或 ASIC 中）。反過來，

圖 2. NCO 的主要功能部分以及與完整直接數(shù)字合成器的區(qū)別，包括重建 DAC 及其相關的 AAF。NCO 部分可用于測試或激勵 DAC。

在本系列的第 2 部分中，我們將詳細介紹如何在軟件中實現(xiàn)高精度 NCO。

關于作者

Patrick Butler 是 ADI 公司南歐銷售部門的一名現(xiàn)場應用工程師，負責為法國全球市場和一些 ADEF 客戶提供支持。自 1984 年以來，他一直在 ADI 工作，支持 DSP 構建模塊 IC 以及高速轉(zhuǎn)換器。此前，他曾在法國圣艾蒂安的斯倫貝謝公司 ATE 部門擔任設計工程師五年，然后在南特的 Matra-MHS、AMD 和 Harris SC-Intersil 擔任多個應用工程師和 FAE 職位。如今，他的主要愛好是在兩個兒子的幫助下收集老式聲音組件來構建有源、高效的號角揚聲器系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷