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前言

通常，电赛中的信号发生源设计都是数字方案实现的，模拟的方案不管是精度、信号质量，还是控制频率、幅度、相位的方便、稳定性，都比不上数字方案。
这里所说的数字方案，实际指的是是依靠一些特定的模拟芯片完成信号发生，而我们需要做的只是通过控制板（单片机或fpga等）与其进行通信。
而具体的数字方案也可以分为两种，第一种是fpga+DAC，另一种是MCU+dds。下面我将对这两种方案进行进一步阐述。
（标题一的部分是基础和原理介绍内容，不感兴趣的可以自行跳过）

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一、什么是DAC、DDS？

1.DAC介绍

DAC（Digital to Analog Converter）就是数字—>模拟转换器，是将数字的编码信号转化为模拟的电压信号的器件。目前组要使用的DAC芯片主要是来自于ADI公司的。
ADI公司在其DAC芯片的目录中将DAC芯片分为了四类：
1数字电位器(DigiPOT)（数控电阻）
2高速数模转换器≥30MSPS
3集成式/特殊用途数模转换器
4精密DAC

最早先的数字到模拟信号转换电路的结构很简单，是一种电阻串联分压网络构成的，每个电阻的阻值相同，数字码对应了电阻串联网络的开关是否导通，在输出将所有电压相加，获得相应的模拟电压。现在的很多数字电位器就是这种结构，以及DAC8571也是采用这种结构。

在DAC芯片中，比较简单的结构是如下的这种，采用电阻的树状结构，可以获得Vref/(2^n) 的LSB电压，并且需要的电阻也比较少，是R✖(2^n)。但这种电路需要的模拟开关比较多，也逐渐被淘汰。

后来有了这种（也是模集中经常最先介绍的DAC结构），从低电位到高电位的电阻呈现2倍的倍增，其缺陷是位数一旦变大，电阻将会需要变得非常大，芯片的面积太大或是大电阻的准确性的缺陷都是十分致命的。

R-2R结构：这种结构的精妙之处在于，对于每个节点来说，到地的等效电阻都是2R，因此再将一个2R电阻与之并联，就可以获得与之相等的电流，电流通过这种效应被不停的缩小二分之一，从而实现了电压的2次方的倍减。这时，不仅需要的模拟开关更少了，而且电阻器件的面积也更小了，增加了一个运放的面积与电阻等无源器件相比也是很小的。

关于DAC的性能指标，在电赛的应用中，我们主要关注的是上限频率（最小的settle time），量化精度（一个LSB的电压），输出电压范围（最大能输出多大的电压）、供电电压范围（能否为负，最大到多少），输出模式（电压输出或是电流输出）。

2.DDS介绍

DDS的全程是Direct Digital Frequency Synthesis，翻译为“直接数字频率合成”，是专门用于产生正弦信号的专用芯片。
一般的DDS芯片都是由相位累加器 、相位幅度转换 、后端DAC组成：
要合成一个正弦波，即产生一个正弦波的数字码作用于dac，可以通过幅值信息直接合成，但是正弦波的幅度不是线性的，在每次转换过程中转变的损耗比较大。但正弦波的相位可以认为是线性变化的。我们将360度分为2的N次方，通过相位累加器，可以将频率控制字作为累加单元进行频率的控制（每隔多久进行一次相位累加）。然后再通过预先就存好的相位—幅度表，获取对应dac的输入码值，从而完成正弦信号的产生。
因此，通过对相位累加器的设计，就可以很容易的完成不同相位、频率信号的输出。
而幅度的控制，则必须改变相位-幅度码表中的数据才能进行。而在我们实际使用的芯片中，这个码表是已经在芯片的掩膜里就制造好了，不能进行修改。（有其他方案，后面再具体说明）

3.电流输出DDS

这里必须提到的是很多DDS或是DAC都是电流输出的，或者说性能要求较高的DAC芯片或是dds中集成的输出端dac都是电流输出的。
实际上，市面上的高速、高精度的DAC并不是给我们用来做信号发生的，而是工业上用于精密控制的芯片，具有更大的驱动能力。并且电流输出的dds还可以根据用户的电压幅度需要，在引脚上引入不同电阻，方便了芯片的使用。
但实际上电流输出类型的dds芯片，在电赛中用于作信号发生源是有很多不便之处的。我们主要考虑到最大电流通常在1mA—10mA数量级，耐压范围基本也都在0.5V左右，这个电压范围对我们来说通常太小了，所以后级需要一个运放来获得更大一些的电压。在这个放大的设计过程中会遇到很多的问题，也在后面具体阐述。

二、FPGA+DAC方案

FPGA的特点就是高速、并行。这就使得它非常适合与高速实时采样的并行DAC配合使用。
我们通过FPGA直接写出波形数字表，通过DAC的转换，直接获得模拟的输出。只要有表，任何波形、任何频率、任何幅度的信号都可以被输出为模拟，这是非常方便而且使用的，具体的实现在我前面的博客里面已经写过了。
https://blog.csdn.net/Jefferymeng/article/details/123655576?spm=1001.2014.3001.5501

1.芯片调试记录：AD9708

频率：AD9708的采样时钟的频率最大也是125MHz，但输出稳定时间所限制的最大频率是28MHz，而fpga通过pll的ipcore可以很轻松的输出几十M量级的时钟信号，可以很好的与之配合。
量化精度：AD9708的量化精度为8位，对于DAC来说，256的量化位数已经足够大了，对于输出的阶梯，可以很容易通过低通滤波器消除。
供电：AD9708的供电电压为3V到5V，并且功率最大为175mW，在3.3V供电下的电流为50mA左右，是可以直接用单片机的3.3V引脚进行供电的。
输出方式：该DAC采用的是差分电流输出（基本所有的高性能dac都是这种）。因此，可以在后级用一个运放将差分信号放大为无偏置的电压信号。

2.备注

但是，fpga能否使用在电赛中却是一个未知，近年来电赛的趋势是：数字化，以及开发板限制。很多赛题开篇明义的要求是使用特定公司、特定类型的开发板（TI、瑞萨），而不能使用stm32、fpga等等作为主控芯片。
而来到一般的单片机主控，由于一定需要通过中断来写DAC并行数据，并行、实时采样的DAC能够输出波形地 频率限制将很明显，例如TM4，在80MHz主频下，设计正弦周期被为64个点（已经很小了），不写中断而是直接while循环能够达到的最大频率也只有80M/(64*4)=312.5kHz（考虑一次写操作需要4个时钟周期），实际上能够达到的频率将会更小。因此我们必须考虑串行的、有寄存器的、非实时的dds芯片。

三、MCU+DDS方案

前面提到了我们必须使用dds芯片的初衷，在fpga使用收到限制的前提下，通过mcu的串行同行完成信号的发生。
我们必须明确我们产生的信号的需求是怎样的。信号频率可调并且足够宽，信号幅度可调，可以产生不同相位的信号（如反相），不仅可以生成正弦波，还可以产生其他波形（方波、三角波、脉冲波）。（我在这里主要考虑的是电路特性测量类型题目中的扫频功能，还有其他场景比如调制波的生成）

0.几种常用DDS芯片汇总

下面是我使用过的ADI公司的一些高性能DDS芯片的特性表，仅供参考：

1.芯片调试记录：AD9834

相较于其他芯片，AD9834具有正弦、方波、三角波三种信号发生的类型，正弦波和三角波是可以通过修改寄存器值来输出的，（修改寄存器数值以达到旁路sin rom输出三角波的效果）并且是差分电流输出，电流输出的满量程是3mA，电流的非线性误差在1个LSB以内。

而方波是通过AD9834内置了的比较器实现的。这个比较器整个都集成在了芯片内部，因此输出方波的占空比总是50%。（方波也是差分电流输出的）

AD9834虽然没有程控的调幅功能，但是可以通过改变满量程电流，控制输出幅值，这种方案的可行性有待考察，因为满量程的控制是电流控制，需要从FS ADJUST引脚灌入一个电流来确定满量程电流。如果要程控这个电流，有两个路径：
1是用MCU控制数字电位器，从而控制电流
2是用MCU内置dac来控制电压，从而控制电流
很明显，由于一般的数字电位器精度都很低，而且阻值一般都是10k欧姆以上的量级，因此第一种的可行性较低，第二种的可行性较高，但还需考虑单片机引脚是否可以流出足够大的电流。

2.芯片调试记录：AD9850

AD9850和AD9834相比，不能输出三角波，但频率更高，达到了50MHz。DAC量化位数还是10位，对DAC来说已经是一个很高的数值了。
这个芯片的比较器没有将电压基准进行集成，因此我们可以在片外的比较器引脚加上电阻网络，从而调节方波的占空比。

同时，相较于其他dds，9850的输出电压范围更大，达到了1.5V，输出电流也可以达到20mA以上。

但是，9850不具有调幅的功能，必须通过后级的运放电路进行幅度控制和放大。

3.芯片调试记录：AD9959

AD9959其实是一款专用于射频领域的dds，输出频率高达200MHz，只能够发生正弦波，量化精度是10位，输出幅度为±500mV。
但是，这个芯片在低频时的工作不是很理想。这是因为，我们总需要提供一个1.8V的AVDD电压，并且这个电压必须经过严格的滤波。输出的差分信号是有1.8V的偏置的，要滤除这个偏置，则必须加上一个电容隔直，从而构成低通。同时，由于9959的输出安全电压只有正负0.5V，电流为最大10mA恒定，因此输出端的电阻一定为50欧姆或者更小，太大了有可能损坏芯片。这样就会在输出端构成高通，是的低频信号无法正常产生。这需要对电容容值继续准确的确定，但一旦容值变大，又会导致高频时候信号的衰减。因此，这个芯片确实是不适合工作在低频下的。

4.调幅方案总结

①满量程调节：芯片的输出满量程可以受引脚电流控制，例如AD9834。这时可以通过单片机dac输出程控电压，或者单片机控制一个数字电位器控制该满量程电流。dds一直保持满量程输出，而程序是通过控制满量程电流达到幅度调节的效果。
②可调幅dds：AD9854、AD9959等芯片内置了幅度调制的功能，通过写寄存器就可以实现幅度调节的功能。
③后级程控增益放大器：在dds后级设计一个程控增益放大器，达到幅度调节的功能。这部分也有多问题需要解决，也有很多不同的方案，比如差分电流放大器，程控的数字电位器构成运放负反馈放大电路、压控增益放大器（AD603、VCA821）。需要注意的问题也有很多，比如电流输出和电压输出进行放大的异同、差分信号的放大方案、以及直流偏置的消除、后级隔直和放大器带宽的影响。
虽然这些方法都已经有了成熟的方案，但是在不同应用场景的差异比较大，需要具体问题具体分析，放在以后再进行总结。

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总结

本文主要是围绕数字信号发生方案继续了系统的介绍，着重于泛泛而谈，主要是提供了对ADC、DDS芯片选型的指南，以及幅度可调dds的方案的总结，仅供参考。
上面提到的几款芯片的stm32、TM4的驱动程序，以及相应的驱动电路都已经完成了（一些是在tb上直接购买的模块），如有需要也可以私信我。
这篇文章是我依照电赛备赛期间的经验来写的，主要是回顾了一下dac的基本原理（模集专业课上学的），以及总结一些（惨痛的）经验和教训，行文和用词都非常不专业以及不严谨，欢迎批评指正，感谢阅读！