Что такое dds генератор

Идея создания DDS-генераторов сигналов родилась очень давно, ещё в прошлом веке; можно даже сказать — в незапамятные времена, ибо никто уже точно не знает дату рождения этой идеи.

Сама абревиатура DDS расшифровывается как «Direct digital synthesis» — «Прямой цифровой синтез».

Суть таких генераторов предельно проста: сигнал записывается в памяти в цифровом виде, а воспроизводится через цифро-аналоговый преобразователь в аналоговом виде. Благодаря этому форма сигнала может абсолютно любой, а не только обычные синус или прямоугольник.

Но только в конце прошлого века элементная база дошла до такого уровня, чтобы эта технология стала недорогой и доступной широким народным массам.

Как и у всякой «чудесной» технологии, здесь есть свои недостатки, в частности, так называемый джиттер — дрожание фазы, возникающее при дробном соотношении между частотой опорного генератора и частотой сигнала на выходе.

В подавляющем большинстве случаев этим можно пренебречь, но знать о существовании этой проблемы надо.

В подборке будут перечислены приборы по нарастанию цены и степени технического совершенства.

Цены в подборке указаны примерные на дату обзора, и в дальнейшем они могут меняться в любую сторону.

Простейший низкочастотный DDS-генератор сигналов

Простейший генератор, работающий в низкочастотном диапазоне 1 — 65534 Гц.

Может использоваться для настройки низкочастотных устройств: усилителей мощности звуковой частоты, фильтров, темброблоков и т.п.

В имеющемся в приборе комплекте сигналов — стандартный необходимый минимум: синус, прямоугольник, треугольник, ЭКГ, шум.

Внимание: в комплекте нет блока питания, требуется источник с напряжением 9 В.

Прибор поставляется в виде комплекта собранной платы прибора плюс детали корпуса; окончательная сборка производится потребителем.

DDS-генератор сигналов FY3200S-25M

Продвинутый двухканальный DDS-генератор с частотой формирования синусоидального сигнала до 25 МГц (по сигналам другой формы — до 6 МГц).

Прибор, помимо формирования типовых сигналов (синус, прямоугольник, треугольник, пила, шум), позволяет пользователю сформировать и сигналы собственной формы; но с этим обычно приходится серьёзно «повозиться».

Частота дискретизации — 250 Ms/ps, разрядность — 12 бит.

Прибор позволяет формировать частотно-модулированные сигналы (только по одному каналу).

Прибор снабжен интерфейсом USB для связи с компьютером.

Из достоинств надо отметить наличие встроенного блока питания, а из недостатков — простой алфавитно-цифровой дисплей, что можно простить за его цену.

Прибор — лёгкий, масса — менее 1 кг.

Существуют и более низкочастотные варианты генератора (6 — 24 МГц) с немного более низкой ценой.

Источник

Что такое dds генератор

Обзор посвящен DDS генератору сигналов FY6800 китайской компании FeelElec Technology Co.

В обзоре будут приведены его технические характеристики, кратко описана схемотехника, сделаны тесты, представлены осциллограммы, сделаны полезные выводы и даны рекомендации по практическому применению.

Кроме того, будет объяснено, что такое джиттер и откуда он возникает в DDS генераторах сигналов.

Предисловие: что такое DDS генератор сигналов

Генераторы сигналов с появлением цифровой техники и цифро-аналоговых преобразователей в прошлом веке вступили в новую эру: стало возможным создание «генераторов сигналов любой формы».

Достигается такая возможность за счет записи формы сигнала в цифровом виде и последующем его воспроизведении через цифро-аналоговые преобразователи с частотой, задаваемой пользователем.

Тестируемый DDS генератор FY6800 принадлежит к серии из трёх родственных генераторов с очень близкими параметрами, в которую входят генераторы FY6600, FY6800 и FY6900.

Генератор FY6800 выпускается в 4-х разных модификациях: FY6800-20M, FY6800-30M, FY6800-50M и FY6800-60M. Последние три модификации отличаются только предельными частотами генерации синусоидального сигнала (от 30 до 60 МГц); в то время как младшая модификация ( FY6800-20M ) имеет пониженные частоты генерации как для синуса, так и для некоторых других видов сигналов.

(изображение с официального сайта производителя; кликнуть для увеличения)

Такие генераторы позволяют заменить одним устройством сразу несколько типов генераторов: низкочастотный генератор сигналов (звуковых), генератор импульсных сигналов, генератор сигналов специальной формы, генератор частотно-модулированных сигналов, генератор амплитудно-модулированных сигналов, высокочастотный генератор сигналов (в последнем случае необходимо предварительно внимательно проверить требуемый частотный диапазон).

В таблице приведена лишь небольшая часть характеристик, полностью их можно посмотреть на официальной странице генератора (последняя строка таблицы).

Упаковка, внешний вид и конструкция DDS генератора сигналов FY6800

Генератор представляет собой относительно небольшую и лёгкую конструкцию в виде почти прямоугольного плоского блока с откидной ножкой-подставкой:

Вглядимся в лицо нашего пациента:

И, оно же, но во включенном состоянии прибора:

На лицевой панели расположены органы управления, выходы двух каналов, а также вход частотомера.

Подсвечивается также и кнопка включения/выключения слева внизу на передней панели.

Кнопки только позволяют выбрать режим и настраиваемый параметр, а установка всех параметров на конкретные значения производится с помощью единственной большой круглой ручки энкодера.

Если настраиваемый параметр представляет собой многоразрядное число, то настраиваемый разряд выбирается с помощью двух кнопок со стрелочками под ручкой энкодера.

Кнопки без подписи рядом с экраном работают по подсказкам, отображаемым на экране.

Посмотрим на прибор сбоку:

Вид снизу; ножка-подставка сложена:

При выключении тумблером сзади прибор ничего не запоминает; и при последующем включении автоматически устанавливает режим с синусом 5 В 10 кГц.

Разборка DDS генератора сигналов FY6800 и его внутреннее устройство

Разборка делается не сложно, но аккуратности всё равно требует.

И вот нам открывается богатый, хотя и несколько странный, внутренний мир генератора:

Конфигурация расположения плат удивительна тем, что плата блока питания «втыкается» в материнскую плату прибора сбоку, для этого в «материнке» даже сделана выемка.

Интересно также, что каждая из плат держится не на 4-х, а только на 3-х саморезах. Материнку могли бы прикрутить и 4-ым саморезом в левом нижнем углу, но не прикрутили.

Рассмотрим отдельно материнку и блок питания; начнём с материнки.

Именно эта микросхема и осуществляет синтез сигнала на цифровом уровне.

В сетевой части блока нет отдельного мощного транзистора. Он встроен в 8-ногую микросхему, которая одновременно служит генератором и контроллером ШИМ.

Конечно, было бы лучше с точки зрения помехозащищённости, если бы производитель применил аналоговый блок питания с линейными стабилизаторами, но это плохо отразилось бы и на массе, и на цене прибора.

В генераторе сигналов есть и ещё одна плата, прикреплённая к передней панели:

На плате закреплены органы управления, дисплей и небольшая по количеству элементов электронная обвязка.

Испытания DDS генератора сигналов FY6800

Дело в том, что для гарантированно точного результата средство измерения должно иметь точность, значительно превосходящую точность проверяемого прибора. В большинстве случаев метрологами рекомендуется точность средства (или метода) измерения в 3 раза выше, чем точность проверяемого прибора.

В данном же случае использовался осциллограф примерно одного класса точности с проверяемым генератором. Так что будем результаты считать условно-верными. 🙂

Хотя на генераторе установлено напряжение ровно 5 В, осциллограф на всех осциллограммах показывает напряжение «пик-пик» чуть выше 5 В, до 5.36 В. Причин этому несколько: влияние шумов, погрешность генератора, погрешность осциллографа. В общем можно считать точность генератора хорошей.

Выпрямленный синус. Особенность сигнала в том, что половинки синуса повторяются с частотой вдвое выше, чем установлено на индикаторе генератора:

Мульти-синус (смесь нескольких синусоидальных сигналов с кратными частотами):

Пожалуй, на этом хватит.

Теперь обсудим такое отрицательное явление, как джиттер, ибо оно в этом генераторе присутствует.

Несколько слов о том, что такое джиттер.

Если объяснять «на пальцах», то возникает джиттер таким путём.

На частотах, меньших частоты опорного генератора в целое число раз, в периоде сигнала укладывается целое число отсчетов, и передвигать фазу от периода к периоду не требуется.

Но если частота сигнала меньше опорной частоты не в целое число раз, то возникает проблема, как сформировать сигнал нужной частоты при том, что в периоде сигнала может быть только целое число отсчетов.

Для моделирования джиттера на генераторе в качестве сигнала был установлен меандр с частотой 11 МГц, что отличается от опорной частоты генератора (250 МГц) в 22.72 раза.

Затем были записаны две осциллограммы и наложены друг на друга в графическом редакторе. Вот результат (одна из осциллограмм сделана более бледной):

Кроме банального воспроизведения тех сигналов, которые записаны в памяти прибора, он позволяет выполнять с ними всякие «вольности»: устанавливать различные виды модуляции, запускать их в режиме свип-генератора (генератора качающейся частоты) и управлять частотой и другими параметрами с помощью внешнего напряжения.

Меню настройки модуляции (фото):

Меню настройки свип-генерации:

Меню управления генерацией от внешнего напряжения:

Теперь разберёмся с шумами и помехами на выходе генератора.

Для оценки уровня помех на выходе был установлен очень малый и очень медленный сигнал: 1 мВ, 1 мкГц.

Осциллограмма напряжения (шумы + помехи) на выходе генератора:

Теперь, для сравнения, осциллограмма собственных шумов осциллографа в том же масштабе (вход закорочен на землю через резистор 50 Ом):

Как можно видеть из сравнения двух осциллограмм, хотя и небольшие, но шумы на выходе генератора присутствуют. Точнее, здесь присутствует сумма шумов вместе с влиянием помех по цепям питания и, дополнительно, с наводками от импульсного источника питания на элементы схемы «по воздуху».

Возможно, для каких-то особо чувствительных измерений такой уровень шумов и помех будет великоват; но для подавляющего числа работ по настройке и проверке аппаратуры такой их уровень препятствием не будет.

Программное обеспечение DDS генератора сигналов FY6800

В протестированном экземпляре генератора установлена прошивка версии 1.7.1. Прошивка хорошая, явных «глюков» по ходу тестирования обнаружено не было.

Но в системе не было обнаружено возможности обновления прошивки, а также не было обнаружено каких-либо прошивок (новых или старых) и на сайте производителя.

Генератор сигналов FY6800 может по USB соединяться с компьютером и работать совместно с ним.

Всё это в одном архиве вместе с руководством пользователя на английском языке можно скачать с официального сайте производителя.

Правда, китайскоязычный драйвер из этого комплекта мне не понравился; и я скачал другой вариант драйвера (можно скачать здесь).

Кроме того, я не смог подобрать нормально работающего драйвера для Windows 7 32 bit (происходило зависание на разных этапах), поэтому пришлось всё установить на систему с Windows 10 64 bit (всё работало стабильно).

Программа «DDS Signal PC Software V6.1» позволяет полноценно управлять генератором с компьютера, а также загружать в генератор собственные варианты сигналов.

Так выглядит экран управления генератором:

(кликнуть для увеличения)

Посмотрим на вкладку » Waveform Window » для «рисования» сигнала с примером сигнала, нарисованного мышкой:

Конечно, такое рисование иначе как «порнографией» и не назовёшь.

Здесь формально есть возможность загрузить значения сигнала прямо из файла, но заставить работать эту возможность не удалось.

Реально для этой цели работает копирование значений методом «скопипастить» в окно » Text Window «.

Затем открыть файл в простом текстовом редакторе (типа «Блокнот» и т.п.), пометить все 8192 значения и скопировать на вкладку » Text Window «.

Если на графике (в правом нижнем углу вкладки) всё будет в порядке, то далее в строке » Loading Area » надо выбрать, каким номером пользовательского сигнала будет Ваша функция, и нажать » Send Data «.

Таким способом я создал сигнал «Двухполярные прямоугольные импульсы»; его осциллограмма:

В итоге, хотя и не без проблем, но создание собственных сигналов работает.

Окончательный диагноз DDS генератора сигналов FY6800

Начну с главного: этот генератор сигналов полностью подтвердил параметры, указанные производителем (по крайней мере в той степени, насколько это возможно подтвердить с помощью аппаратуры, лишь немного превосходящей по классу тестируемый генератор).

Недостатки, конечно, тоже водятся.

Ещё раз о цене и где купить.

Ваш Доктор.
12 мая 2020 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам

Источник

Всё о синтезаторах DDS

Сегодня устройства прямого цифрового синтеза аналоговых сигналов — синтезаторы DDS—все шире применяются в радиоэлектронных системах, причем как для работы в высокочастотном диапазоне (до сотен мегагерц), так и на низких частотах, вплоть до единиц герц. Благодаря
развитию электроники и технологии микросхемы-синтезаторы DDS становятся весьма недорогими компонентами, в то же время обеспечивающими высочайшее качество генерируемых сигналов. Фирма Analog Devices является одним из лидеров в данной области и выпускает широкую
номенклатуру синтезаторов DDS.
Предлагаем вашему вниманию перевод статьи о синтезаторах DDS из журнала Analog Dialogue.
Журнал Analog Dialogue посвящен продукции фирмы Analog Devices, в нем публикуются материалы как прикладного, так и теоретического характера. Данный журнал бесплатно доступен
на сайте www.analog.com, в настоящее время он выпускается только в электронном виде.

Что такое «прямой цифровой синтез»?

Прямой цифровой синтез (DDS) — метод, позволяющий получить аналоговый сигнал (обычно это
синусоидальный сигнал) за счет генерации временной последовательности цифровых отсчетов и их
дальнейшего преобразования в аналоговую форму
посредством ЦАП. Так как сигнал сначала синтезируется в цифровой форме, такое устройство может
обеспечить быстрое переключение частоты, высокое
разрешение по сетке частот, работу в широком диапазоне частот. Благодаря развитию микросхемотехники и технологии на сегодняшний день синтезато-
ры DDS представляют собой очень компактные микросхемы с низким энергопотреблением.

В каких случаях
применяются синтезаторы DDS?
Какие еще
методы синтеза сигналов существуют?

В различных электронных устройствах часто требуется синтезировать сигналы различной частоты
и формы, и с высокой точностью управлять параметрами этих сигналов. Необходим ли источник высококачественного сигнала с низким уровнем фазового
шума и с быстрой перестройкой частоты (для телекоммуникационных систем) или же требуется просто синтезировать сигнал определенной частоты для
промышленного тестового оборудования или для
медицинских систем — в любом случае важными
для разработчика параметрами являются удобство
применения, компактность и низкая стоимость.

Существует много способов синтеза сигналов — от генераторов на основе петли ФАПЧ (такой подход
доминирует при синтезе сигналов высокой частоты)
до динамического цифрового управления цифро-аналоговым преобразователем (при синтезе низкочастотных сигналов). Но технология DDS быстро завоевывает популярность в качестве средства синтеза сигналов как в телекоммуникационных, так
и в низкочастотных промышленных системах благодаря тому, что стало возможным реализовать на одной микросхеме программируемый генератор с высоким разрешением по частоте и с высоким качеством сигнала.

Кроме того, непрерывное совершенствование технологии и схемотехники привело к тому, что стоимость микросхем и их энергопотребление снизились
до величин, немыслимых в прошлом.

Например, программируемый генератор DDS
AD9833 (рис. 1), при работе от источника питания
5,5 В и при частоте кварцевого резонатора 25 МГц,
потребляет не более 20 мВт.

Какие основные преимущества дает
применение DDS-синтезаторов?

Синтезаторы DDS, подобные вышеупомянутой
ИС AD9833, управляются посредством быстродействующего последовательного порта SPI, при этом
для генерации синусоидального сигнала требуется
только тактовый сигнал. Доступные в настоящее
время синтезаторы DDS способны генерировать сигнал на частотах от 1 Гц до 400 МГц (при тактовой
частоте 1 ГГц). Преимущества, предоставляемые малым энергопотреблением, низкой стоимостью и малыми размерами корпусов, в сочетании с отличным
качеством сигнала и возможностью цифрового управления, делают синтезаторы DDS чрезвычайно
привлекательными приборами по сравнению с гораздо менее гибкими схемами на дискретных
элементах.

Какие сигналы можно получить на выходе типичного синтезатора DDS?

Синтезаторы DDS способны генерировать не только синусоидальный сигнал. На рис. 2 показаны прямоугольный, треугольный и синусоидальный сигналы на выходе ИС AD9833.

Каким образом устройство DDS генерирует
синусоидальный сигнал?

На рис. 3 показана функциональная схема синтезатора DDS: его основными узлами являются накопитель значения фазы (аккумулятор фазы), средство преобразования значения фазы в амплитуду
(обычно это ПЗУ с табличными значениями функции синуса) и ЦАП.

Схема DDS генерирует синусоидальный сигнал с заданной частотой. Частота выходного
сигнала определяется двумя параметрами: частотой тактового сигнала и двоичным числом,
записанным в регистр частоты.

Это двоичное число, записанное в регистр
частоты, подается на вход аккумулятора фазы.
Если используется ПЗУ с табличными значениями синуса, то аккумулятор фазы вычисляет адрес (соответствующий мгновенному
значению фазы) и подает его на вход ПЗУ,
при этом на выходе ПЗУ мы получаем текущее значение амплитуды в цифровом виде.
Далее ЦАП преобразует это цифровое значение в соответствующее значение напряжения
или тока. Для генерации синусоиды с фиксированной частотой постоянная величина
(приращение фазы, определяемое двоичным
числом, записанным в регистр частоты) прибавляется к значению, хранящемуся в аккумуляторе фазы, с каждым импульсом тактового сигнала. Если значение приращения велико, аккумулятор фазы будет быстро
пробегать всю таблицу синуса, хранящуюся
в ПЗУ, и частота сигнала при этом будет высока. Если значение приращения фазы мало, аккумулятору фазы понадобится больше шагов, чтобы пройти всю таблицу ПЗУ,
и соответственно частота сигнала на выходе будет низкой.

Что подразумевается под словами
«интегральный DDS синтезатор»?

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП),
выполненный на одном кристалле со схемой генерации цифровых отсчетов (DDS) представляет собой законченный интегральный
DDS-синтезатор. Таковыми являются все DDS-синтезаторы фирмы Analog Devices.

Подробнее о принципах работы
аккумулятора фазы

Мгновенное значение фазы непрерывного
синусоидального сигнала циклически изменяется в диапазоне от 0 до 2π. π Значение фазы
генерируется в цифровом виде. Функция переноса, которой обладает счетчик, позволяет
реализовать в синтезаторе DDS непрерывное
циклическое изменение величины фазы.

Чтобы понять, каким образом осуществляется генерация, представьте себе синусоидальные колебания в виде вектора, вращающегося по окружности (рис. 4). Каждая точка на окружности соответствует определенной точке
синусоиды. Вектор вращается по окружности, при этом величина синуса угла является
выходным сигналом. Один оборот вектора
с постоянной скоростью обеспечивает генерацию одного периода синусоиды. Аккумулятор фазы генерирует значения угла с одинаковыми приращениями, величина, находящаяся в аккумуляторе фазы, соответствует
определенной точке окружности.

определенной точке окружности.
Аккумулятор фазы представляет собой
счетчик по модулю М, значение которого увеличивается с каждым приходом тактового импульса. Величина приращения задается двоичным числом М. Это число определяет величину приращения значения фазы с каждым
тактовым импульсом, в сущности, этим числом определяется число пропущенных отсчетов при движении по окружности. Чем больше размер шага, тем быстрее происходит переполнение аккумулятора фазы и более
коротким получается период синусоиды.
Разрядностью аккумулятора фазы (n) определяется общее число возможных значений
фазы, что в свою очередь обусловливает разрешение сетки частот синтезатора DDS.
Для 28-разрядного аккумулятора фазы при
М = 0000…0001 аккумулятор будет переполняться после 228 циклов (тактовых импульсов). При М = 0111…1111 аккумулятор фазы
будет переполняться всего за 2 цикла (это минимальное число циклов, удовлетворяющее
критерию Найквиста). Эти соотношения описываются следующей простой формулой:

где f_out — частота выходного сигнала DDS; М— двоичное число, определяющее частоту сигнала; f_c — частота сигнала тактирования; n— разрядность аккумулятора фазы.

При изменении значения М частота на выходе синтезатора меняется сразу и при этом
сигнал не имеет разрывов. Здесь отсутствует
переходный процесс захвата частоты, присущий генераторам с петлей ФАПЧ.

При увеличении выходной частоты число
отсчетов на один цикл уменьшается. Так как
теорема отсчетов требует наличия как минимум двух отсчетов на период для полного восстановления выходного сигнала, максимальная частота синтезируемого сигнала DDS будет составлять f_c/2. Однако на практике частота
синтезируемого сигнала ограничивается несколько меньшим значением, что способствует улучшению качества синтезируемого сигнала и облегчению его фильтрации.

При генерировании сигнала постоянной частоты код на выходе аккумулятора фазы увеличивается по линейному закону, что соответствует линейному пилообразному аналоговому сигналу.

Каким образом этот линейный сигнал
преобразуется в синусоиду?

Для преобразования выходного кода аккумулятора фазы (в случае ИС AD9833 — это
28-разрядный код) в мгновенные значения
амплитуды используется ПЗУ с табличными
значениями отсчетов синуса. Младшие разряды 28-разрядного кода отбрасываются; на выходе табличного ПЗУ мы получаем 10-разрядный код, который подается на ЦАП. Так как
синусоида обладает симметричностью, в синтезаторе DDS хранятся табличные данные
только об 1/4 части синусоиды. Табличное
ПЗУ генерирует полный цикл синусоиды за
счет чтения данных сначала в прямом, затем
в обратном порядке. Схематически принцип
работы синтезатора проиллюстрирован на
рис. 5.

В каких областях применяются синтезаторы DDS?

Области применения синтезаторов DDS делятся на две категории: разработчикам теле-коммуникационных устройств требуются генераторы с мгновенной перестройкой частоты, с низким уровнем фазового шума и с низким уровнем гармоник и интермодуляционных составляющих. В таких случаях часто применяются синтезаторы DDS как обладающие
хорошими характеристиками с точки зрения
спектра выходного сигнала и высоким разрешением по частоте. В этих областях синтезаторы DDS применяются для модуляции сигнала, в качестве источников опорного сигнала для генераторов с петлей ФАПЧ, в качестве
генераторов-гетеродинов, и даже для прямого синтеза радиосигнала.

Другая категория — это различные промышленные и медицинские системы, где синтезаторы DDS используются в качестве программируемых генераторов. Так как синтезатор DDS программируется с помощью
цифрового сигнала, фазой и частотой сигнала легко управлять без переключения внешних компонентов, которое требовалось бы
в случае применения аналоговых генераторов. Синтезатор DDS позволяет легко перестраивать частоту в реальном времени для
настройки на резонансную частоту или для
компенсации температурного дрейфа. Синтезаторы DDS применяются в подобных случаях для измерения импеданса (например,
при работе с датчиками, у которых изменяется импеданс), для генерации импульсных
сигналов для стимуляции, или для измерения затухания в локальных сетях или в телефонном кабеле.

Какие свойства синтезаторов DDS
являются основными преимуществами
с точки зрения проектировщика?

Современные недорогие, высокопроизводительные и высокоинтегрированные синтезаторы DDS становятся очень популярными
как в коммуникационных системах, так и в устройствах с датчиками. Среди привлекательных для разработчика свойств можно отме-
тить следующие:

Каким образом использовать
синтезатор DDS для FSK-модуляции?

Двоичная модуляция со сдвигом частоты
(FSK, frequency-shift keying) является одним
из простейших способов кодирования данных.
Данные передаются за счет переключения не-
сущей частоты между двумя различными зна-
чениями. Одна частота — f₁ (предположим,
та, которая выше) обозначает логическую еди-
ницу, а другая — f₀ — логический ноль.
На рис. 6 показан исходный двоичный сигнал
и полученный модулированный сигнал.

Такой алгоритм кодирования легко реализовать при помощи синтезатора DDS. Для этого устанавливается двоичное число, определяющее частоту сигнала f0 или f1, соответствующую единице или нулю передаваемого кода.
Пользователь задает соответствующие значения частот. В микросхеме AD9834 для пользователя доступны два регистра программирования частоты, что облегчает получение сигнала FSK. В данной микросхеме имеется специальный вход (FSELECT), на который можно подавать модулирующий сигнал и выбирать одно из двух значений частоты (точнее,
один из двух регистров частоты). Функциональная схема на рис. 7 иллюстрирует процесс
получения сигнала FSK.

А как получить сигнал
с фазовой модуляцией PSK?

Кодирование со сдвигом фаз (PSK) — еще
один простой способ кодирования. При модуляции PSK частота несущей остается постоянной, а фаза передаваемого сигнала меняется в соответствии с передаваемым кодом.

Из разновидностей модуляции PSK наиболее
простой является двоичная импульсно-кодовая
модуляция (BPSK) — в ней применяется только
два значения фазы сигнала, 0° и 180°. Спомощью
фазового сдвига 0° передается логическая единица, а при фазовом сдвиге 180° — логический ноль.
Состояние каждого передаваемого разряда определяется по отношению к предыдущему разряду. Если фаза сигнала не меняется, это означает, что передаваемый сигнал находится постоянно в одном из логических состояний — 0 или 1.
Если фаза изменилась на 180°, это значит, что состояние изменилось — с 0 на 1 или с 1 на 0.

Кодирование PSK легко реализовать с помощью микросхемы-синтезатора DDS. Большинство из них обладают отдельным регистром фазы, в который можно записать величину фазы. Эта величина прибавляется к фазе
несущей частоты без изменения значения частоты. Изменение значения регистра фазы
приводит к изменению фазы несущей частоты, таким образом, мы получаем сигнал с модуляцией PSK. Для тех случаев, где требуется
модуляция с высокой скоростью, имеется ИС
AD9834, в которой предусмотрены регистры,
куда можно заранее записать величину фазы
сигнала, а затем выбрать одно из двух значений фазы с помощью входа PSELECT, в результате чего мы получим требуемый сигнал
с фазовой модуляцией.

Более сложные виды модуляции PSK подразумевают 4 или 8 различных значений фазы. При этом скорость передачи данных гораздо выше, чем при простейшей двоичной
модуляции (BPSK). При модуляции с четырьмя значениями фазы (квадратурной модуляции, или QPSK) фаза может принимать значения 0°, +90°, –90° или 180°; таким образом, каждое значение фазы передает 2 бита информации. В микросхемах AD9830, AD9831,
AD9832 и AD9835 имеется четыре регистра фазы, позволяющих реализовать сложные схемы модуляции за счет выбора одного из четырех значений сдвига фазы.

Можно ли синхронизировать
несколько синтезаторов DDS,
например, для получения сигнала I-Q?

Можно применить два отдельных синтезатора DDS, работающих от одного источника
тактирования, для получения двух выходных
сигналов, фазы которых можно затем установить в соответствии с требуемой величиной.
На рис. 8 две микросхемы AD9834 работают
от общего источника тактовых импульсов и их
входы сброса объединены. При такой конфигурации можно реализовать модуляцию I-Q.

Сигнал сброса должен быть подан на соответствующие входы микросхем после включения питания и до подачи данных на входы синтезаторов DDS. Этот сигнал установит синтезаторы DDS в исходное состояние с известной
начальной фазой, что позволит синхронизировать несколько синтезаторов DDS. Когда
в микросхемы одновременно загружаются новые данные, обеспечивается когерентность фаз
выходных сигналов; соотношения фаз устанавливаются с помощью регистров сдвига фаз.
Микросхемы AD9833 и AD9834 обладают
12-разрядными регистрами фазы, эффективная разрешающая способность составляет 0,1.
Более детально синхронизация нескольких синтезаторов DDS описана в руководстве AN-605.

Какие параметры являются
основными для синтезаторов DDS?

Это фазовый шум, дрожание фронтов
(джиттер) и SFDR (динамический диапазон,
свободный от гармоник). Фазовый шум (заданный в виде плотности dBc/Hz) является мерой нестабильности частоты генератора на коротких промежутках времени. Он измеряется
в одной боковой полосе (в децибелах относительно основного сигнала, в полосе 1 Гц) при
различной величине отстройки от основной
частоты генерации. Этот параметр особенно
важен для разработчиков телекоммуникационных систем.

Обладают ли синтезаторы DDS
хорошими характеристикам
с точки зрения фазового шума?

Шум в системе с дискретными данными зависит от многих факторов. Дрожание фазы (джиттер) тактового сигнала в системе DDS
можно рассматривать как фазовый шум основного сигнала; кроме того, погрешность может
вносить округление величины фазы, эта погрешность зависит от значения кода, задающего частоту сигнала. Если соотношение таково,
что величина фазы точно равна величине после округления, то ошибка округления фазы
отсутствует. Если величина фазы для точного
выражения требует больше разрядов, чем имеется, то округление величины фазы будет проявляться в виде дополнительных пиков в спектре выходного сигнала. Величина этих пиков
и их расположение зависит от заданного кода.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
также вносит дополнительные шумы в систему. Погрешности квантования и нелинейность
ЦАП проявляются в виде шумов и гармоник
в выходном сигнале. На рис. 9 показан спектр
фазового шума, типичный для синтезатора
DDS — в данном случае это ИС AD9834.

А что насчет дрожания фронтов —
джиттера?

Дрожание фронтов (джиттер) — это динамическое отклонение фронта сигнала от среднего положения фронта, измеренного за продолжительный период времени. Идеальный
генератор обеспечивал бы абсолютно точное
положение фронтов сигнала в определенные
моменты времени, и это положение никогда
бы не менялось. Такое, конечно, невозможно,
и даже лучшие генераторы созданы из реальных элементов, обладающих шумами и другими несовершенствами. Высококачественный кварцевый генератор обладает величиной джиттера, не превышающей 35 пс.

Джиттер возникает за счет температурного
шума, нестабильности параметров элементов
генератора, внешних помех по питанию, по земле и даже через соединение выхода. Кроме того, оказывают влияние внешние магнитные
и электрические поля, такие как поля от близко расположенных передатчиков. Даже простой
усилитель, инвертор или буфер будет вносить
дополнительный джиттер в выходной сигнал.

Таким образом, некоторое дрожание фазы будет присутствовать в выходном сигнале синтезатора DDS. Так как любому источнику тактового сигнала присущ некоторый джиттер, для
начала необходимо выбрать тактовый генератор с минимальным джиттером. Один из способов уменьшить величину джиттера — получать тактовый сигнал посредством деления частоты высокочастотного тактового сигнала.
При делении частоты та же величина джиттера
распределяется на больший период времени, что
снижает относительную величину джиттера.

В целом, чтобы минимизировать величину
дрожания фазы, необходимо выбрать хороший источник тактовых импульсов, избегать
сигналов с медленными фронтами и схем
с низкой скоростью нарастания импульсов
и работать при максимально возможной частоте тактирования, чтобы иметь достаточно
большой запас по частоте.

SFDR — динамический диапазон, свободный от гармоник, — представляет собой соотношение (в децибелах) между величиной
основного сигнала и величиной максимального пика в спектре выходного сигнала, включая гармоники, интермодуляционные составляющие и продукты наложения спектров.

SFDR является важным параметром для
многоканальных систем. Если передатчик обладает недостаточно низким уровнем гармоник, эти гармоники могут являться источником помех для соседних каналов.

Типичный спектр выходного сигнала ИС
AD9834 (10-разрядный DDS) при частоте
тактирования 50 МГц показан на рис. 10.
На рис. 10а частота выходного сигнала составляет ровно 1/3 от частоты тактирования
(MCLK). Поэтому в данном случае в полосе
25 МГц практически отсутствуют гармоники, эффекты наложения спектров минимальны
и спектр выглядит превосходно; все максимумы в спектре как минимум на 80 дБ слабее сигнала (SFDR = 80 дБ). На рис. 10b показан
спектр выходного сигнала при более низкой
частоте на выходе; здесь на один период приходится большее число отсчетов (но недостаточное для того, чтобы получить по-настоящему чистую синусоиду) и спектр выходного
сигнала гораздо дальше отстоит от идеального; максимальная гармоника — вторая — имеет величину –50 дБ относительно основного
сигнала (SFDR = 50 дБ).

Какие имеются средства
автоматизации разработки систем
на базе синтезаторов DDS?

Существует интерактивный помощник разработчика, доступный через веб-интерфейс,
позволяющий рассчитать коды частоты и фазы при заданной частоте тактирования, частоте и фазе выходного сигнала. Программа показывает спектр выходного сигнала, помогающий рассчитать выходной восстанавливающий фильтр. Пример показан на рис. 11. Кроме
того, программа выводит в виде таблицы перечень всех основных гармоник и продуктов
наложения спектров и их значения.

Как могут эти программы помочь мне
запрограммировать синтезатор DDS?

Все необходимые исходные данные — это
требуемая частота выходного сигнала и частота источника тактового сигнала. Программа
на основе этих данных выдаст все коды, необходимые для программирования синтезатора
DDS. В примере, показанном на рис. 12, частота тактирования MCLK=25 МГц, требуемая
частота выходного сигнала — 10 МГц. Нажав
на кнопку, мы получаем строчку Init Sequence,
полностью отображающую последовательность программирования синтезатора DDS.

Каким образом можно
на практике ознакомиться
с работой синтезатора DDS?

Для каждой микросхемы-синтезатора DDS,
выпускаемой фирмой Analog Devices, выпускается также соответствующая оценочная плата (Evaluation Board). По поводу приобретения продукции и оценочных плат обращайтесь к дистрибьюторам. К оценочным платам
прилагается программное обеспечение, позволяющее инженеру ознакомиться с работой
платы в течение считанных минут после получения комплекта. К плате прилагается также техническое описание, содержащее схему
и рекомендации по проектированию устройства и разводке платы.

Источник