Grunderna i DDS-syntetiserare (direct digital synthesizer) och hur du väljer och använder dem

By Art Pini

Contributed By Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Antalet trådlösa enheter ökar, och utvecklarna använder alltmer avancerade och varierande vågformer för att möta tillämpningskraven vad gäller datahastigheter, begränsning av störningar, kostnad, avtryck och lägre strömförbrukning För sådana vågformer krävs stabila RF-källor som kan anpassas efter behov och är varierbara både beträffande frekvens och fas. Samtidigt måste källorna leverera mycket hög signalrenhet. Svaret på den här uppsättningen av krav finns i DDS-enheter (direkt digital syntetiserare).

DDS-syntetiseraren genererar analoga vågformer med hjälp av digitala metoder, vilket gör det möjligt att nyttja digital programmerbarhet och högre integrationsnivåer, och samtidigt sänka kostnaderna. DDS-syntetiserare möjliggör dessutom en nästan omedelbar förändring av frekvens eller fas, vilket gör enheten till en primär källa för avancerade digitala moduleringstekniker, såsom frequency shift keying (FSK) och spridningsspektrum, men även för störningsavhjälpande teknik, till exempel frekvenshoppning. Som följd av det här har integrerade DDS-kretsar, som erbjuder hög stabilitet och signalrenhet, snabbt börjat ersätta eller komplettera konventionella faslåsta slingor (PLL:er) och andra analoga RF-källor.

I den här artikeln går vi igenom grunderna i DDS-teknik och hur man specificerar en integrerad DDS-krets. Vi introducerar ett antal lämpliga DDS-lösningar och visar hur de används effektivt.

Så fungerar direkt digital syntes (DDS)

Digital syntes baseras på en fasackumulator som genererar en serie av digitala tillstånd med värden som ökar linjärt och därmed bildar en numerisk ramp – en rät linje. Signalen görs regelbunden och representerar den momentana fasen av utmatningsvågformen, från noll till 2p radianer. Detta matas in i en uppslagstabell som omvandlar den numeriska rampen till en sinusvåg (figur 1). Den vanligaste DDS-utmatningen är sinusvågen, men ramper, triangelvågor och fyrkantsvågor kan också enkelt genereras.

Diagram över direkt digital syntetiserare, baserad på en fasackumulator

Figur 1: DDS-syntetiseraren baseras på en fasackumulator som genererar en momentan vågformsfas. En uppslagstabell används för att omvandla fasen till en amplitud. Denna matas till en digital-till-analog-omvandlare, som genererar önskad analog utmatning efter filtrering. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Utmatningen från fas-till-amplitud-uppslagstabellen skickas till en digital-till-analog-omvandlare (DAC eller DA-omvandlare) och konverteras till en analog vågform, som vanligtvis är sinusformad. Eftersom inmatningen till DA-omvandlaren är en serie av samplade värden, består utmatningen av kvantiseringssteg. Dessa steg genererar tillsammans spektrala bilder vid multiplar av samplingsfrekvensen i frekvensdomänen, vilket inte är önskvärt. Ett lågpassfilter, placerat efter DA-omvandlaren, tar bort de oönskade spektralbilderna.

Fasackumulator

Fasackumulatorn är en modulo N-räknare som har 2N digitala tillstånd, vilka ökar för varje systemklockingångspuls. Ökningens storlek beror på värdet hos det ”tuning word”, M, som appliceras på ackumulatorns additionssteg. Detta tuning word används för att fastställa räknarens stegstorlek, vilket bestämmer utmatningsvågformens storlek.

Fasackumulatorn har vanligen från 24 till 48 bitar – vid 24 bitar finns det 224 eller 16 777 216 tillstånd. Detta värde representerar antalet fasvärden mellan 0 och 2p radianer, eller uppnåbar fasökning. För en 24-bitars fasackumulator är fasupplösningen 3,74 E-7 radianer. Om en större fasackumulator används, blir fasökningen ännu finare.

Ett sätt att visualisera fasackumulatorns funktion är att betrakta den som ett fashjul (figur 2).

Förenklad vy av funktion hos 16-tillstånds fasackumulator

Figur 2: En förenklad vy över funktionen hos en fasackumulator med 16 tillstånd. Fashjulet används för att visualisera hur ett ”tuning word” påverkar DDS-syntetiserarens utmatningsfrekvens. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Ackumulatortillstånden är regelbundna och representeras av punkter på en cirkel. Punkterna på cirkeln representerar samtliga tillstånd hos ackumulatorn. I det förenklade fallet har ackumulatorn 16 tillstånd. Om tuning word-värdet är lika med ett, som i det övre diagrammet, blir stegökningen vid varje klocka lika med ett, och under en hel period väljs alla tillstånd.

Till höger om fashjulet visas varje tillstånds analoga utmatning. Eftersom det är en kvantiserad enhet, behåller den analoga utgången sitt tillstånd tills klockan matar fram fashjulet till nästa tillstånd. Utmatningen består av en enkel cykel av den kvantiserade sinusvågen, innehållande sexton värden.

I det undre diagrammet är tuning word-värdet ställt till två. Med den inställningen väljs vartannat tillstånd på fashjulet. Den analoga utmatningen består nu av två cykler, var och en med åtta amplituder, vilket ger totalt sexton tillstånd. Om tuning word-värdet är ställt till två, är utmatningsfrekvensen nu två gånger det tidigare erhållna värdet.

DDS-syntetiserarens utmatningsfrekvens bestäms av tuning word-värdet och ökar proportionellt mot det. Samplingsfrekvensen behålls vid systemklockfrekvensen, och tiden mellan utmatningssamplingarna är konstant. Utmatningsfrekvensen beror på tuning word-ökningen: När tuning word-värdet ökar blir det färre steg i varje utmatningscykel, vilket innebär ökad frekvens. Tuning word-värdet kan ökas tills det endast finns två samplingar per cykel, vilket sätter DDS-utmatningen till den s.k. Nyquistfrekvensen, eller hälften av systemklockfrekvensen. DDS-enhetens design gör att den är naturligt begränsad till att ha en utmatningsfrekvens som är lägre än Nyquistgränsen.

Utöver systemklockfrekvensen beror DDS-syntetiserarens utmatningsfrekvens på tuning word-värdet och på ackumulatorns längd. Detta uttrycks med formel 1

Formel 1 Formel 1

Där:

fout är DDS-utmatningsfrekvensen

M är tuning word-värdet

fc är systemklockfrekvensen

N är fasackumulatorns längd

Fasackumulatorns utmatning, som är momentanfasen av utmatningsvågformen, används för att driva fas-till-amplitud-omvandlaren. Fas-till-amplitud-omvandlaren omvandlar utmatningar till ett digitalt ord, vars värde är sinusvågformens amplitud för inmatningsfasen.

Observera att antalet bitar som används för att driva fas-till-amplitud-omvandlaren är mindre än det antal som används för fasackumulatorn. Det här kallas för fastrunkering och används för att minska kretsstorleken och strömförbrukningen i de digitala stegen efter fasackumulatorn. Det ger upphov till vissa falska spektralkomponenter, trunkeringsstörningar, som dock kan minimeras med omsorgsfull design.

Skälet till att lågpassfilter används för utmatningen

Vågformerna i figur 2 är rik på övertoner på grund av stegkaraktären. För att avlägsna dessa spektrala övertoner, och andra frekvensstörningar från processer i DDS-enheten, behövs ett lågpassfilter.

DDS-utmatningens spektrum för en enhet klockad till fc med en utmatningsfrekvens lägre än fc/2, visas i figur 3. Utmatningsspektrumet visar utmatningens spektrallinje, fout, tillsammans med bildfrekvenserna över och under klockfrekvensen, och alla övertoner upp till och förbi den tredje.

Diagram av spektrum för en DDS med en systemklockfrekvens på fc och en utmatningsfrekvens på fout

Figur 3: Spektralvy över en DDS med en systemklockfrekvens på fc och en utmatningsfrekvens på fout, där utmatningsfrekvenskomponenterna upp till klockans tredje överton visas. (Bildkälla: Analog Devices)

DDS-utmatningens frekvensområde är från 0 Hz till Nyquistgränsen, vid fc/2. Sin(x)/x-formen beror på den kvantiserade signalen i tidsdomänen, så som visas i figur 2. Sin(x)/x-funktionens nollägen inträffar vid klockfrekvensen och alla övertoner. Sin(x)/x-formningen kan tas bort med hjälp av amplitudkorrigeringar, för att förbättra amplitudflatheten över utmatningsområdet.

Ett lågpassfilter med skarp cutoff över DDS-syntetiserarens frekvensområde används, för att väsentligt minska spektralkomponenternas amplitud över Nyquist. Om DDS-frekvensområdet utökas till Nyquistfrekvensen, skulle det behövas en oändligt brant cutoff-kurva för att exkludera den lägre bildfrekvensen vid klockfrekvensen, som skulle överlappa Nyquistfrekvensen. Det här är ett skäl till att DDS-frekvensområdet sällan utökas till Nyquistfrekvensen.

Designa med kommersiella integrerade DDS-kretsar

Det finns mycket att överväga när man ska välja och använda en DDS-syntetiserare. Börja med att överväga nödvändig funktionalitet i tillämpningen, samt frekvensområde, amplitud och offset, vågform, upplösning och moduleringskapacitet. Signalrenhet är generellt en faktor när man ska välja en signalkälla. Störningsfritt dynamiskt område (SFDR), total harmonisk distorsion (THD) och fasbrus är nyckelspecifikationer, liksom strömförbrukning, särskilt i mobila tillämpningar.

Ett bra exempel på en lågeffekts-DDS är Analog Devices AD9834BRUZ-REEL7 (figur 4). Enheten styrs via ett seriellt tretrådsgränssnitt och förbrukar endast 20 mW från en 3 V-källa. Den kan mata ut sinus-, ramp- och fyrkantsvågfunktioner, och har en maximal klockfrekvens på 50 MHz, vilket i figuren motsvaras av digitalklockinmatningen MCLK. Baserat på Nyquist-diskussionen ovan, innebär den här klockfrekvensen att vågformer upp till 25 MHz kan matas ut.

Internt funktionsdiagram av en Analog Devices AD9834 lågeffekts-DDS

Figur 4: Internt funktionsdiagram av AD9834, en lågeffekts-DDS från Analog Devices. Enheten förbrukar 20 mW från en 3 V-källa och kan mata ut sinus-, ramp- och fyrkantsvågfunktioner upp till 25 MHz. (Bildkälla: Analog Devices)

Fasackumulatorns längd är 28 bitar, vilket ger en frekvensupplösning på 0,186 Hz vid klockfrekvensen 50 MHz. Fasbruset beror också på MCLK-inmatningens kvalitet, och illustreras som en funktion av en offset från bärvågen (figur 5). För AD9834 är fasbruset -120 dBc/Hz vid 1 kHz offset från bärvågen för FOUT på 2 MHz och MCLK på 50 MHz.

Fasbrusets graf beror på MCLK-inmatningens kvalitet

Figur 5: Fasbruset beror på MCLK-inmatningens kvalitet och visas som -120 dBc/Hz vid 1 kHz offset från bärvågen för FOUT på 2 MHz och MCLK på 50 MHz. (Bildkälla: Analog Devices)

Den inbyggda DA-omvandlaren har en upplösning på 10 bitar, och smalbands-SDFR är typiskt bättre än -78 dB.

AD9834 har dubbla frekvens- och fasregister, och stöder därmed både frekvens- och fasmodulering. Det skrivskyddade (ROM) minnet för sinusvåg kan förbikopplas, för att driva DA-omvandlaren med fasackumulatorns utmatning, så att en rampfunktion genereras. Teckenbiten är tillgänglig vid ett utgångsstift, för att få en fyrkantsvåg för klockgenerering.

Många leverantörer underlättar designprocessen genom att erbjuda bra urvalsverktyg. DDS-enheten AD9834 stöds av Analog Devices ADIsimDDS, ett interaktivt designverktyg online, som gör det möjligt att utvärdera olika konfigurationer, inklusive utmatningsfrekvenser, tuning words och referensklockor (figur 6).

Bild av det interaktiva designverktyget ADIsimDDS från Analog Devices

Figur 6: Det interaktiva designverktyget ADIsimDDS från Analog Devices kan användas för att undersöka olika DD-konfigurationer och filtreringsalternativ. (Bildkälla: Analog Devices)

I ADIsimDDS-programmet börjar man med att välja en DDS-produkt – AD9834 i det här fallet. Användaren anger systemklockfrekvensen och önskad utmatningsfrekvens, och programmet beräknar ett tuning word för fasackumulatorn. På en frekvensdomändisplay visas DDS-utmatningens spektrum, inklusive utmatningssignal, övertoner, DAC-bilder, klockövertoner och klockbilder. En filtersimulator kan appliceras på DDS-utmatningen, om man vill undersöka hur olika filter påverkar utmatningsspektrumet.

Om det krävs högre prestanda och frekvenser har Analog Devices-enheten AD9952YSVZ-REEL7 en maximal klockfrekvens på 400 MHz, och kan producera sinusvågformer upp till 200 MHz, med lägre fasbrus och ett SFDR-område på >80 dB vid 160 MHz (±100 kHz offset) AOUT. Jämfört med AD9834, är dess smalband-SFDR typiskt -70 dB vid 20 MHz, vilket dock självklart beror på frekvens.

AD9952 använder ingen MCLK-inmatning. I stället har den en inbyggd klockoscillator med en ansluten PLL-multiplikator, som – med hjälp av en extern kristall – kan multiplicera klockan med en faktor på mellan 4 och 20 (figur 7). Med en egen intern systemklocka (på upp till 400 MSPS) kan DDS-enheten uppnå ett lågfasbrus på ≤ -120 dBc/Hz vid 1 kHz offset.

Diagram över Analog Devices AD9952

Figur 7: Med inmatning från den externa kristallen skapar AD9952 en egen intern systemklocka, för att säkerställa bra villkor för högre prestanda, exempelvis lågt fasbrus. (Bildkälla: Analog Devices)

AD9952 har också 32 bitars fasackumulatordjup och en 14-bitars DAC. DDS-enheten styrs via ett seriellt gränssnitt.

Behövs ett bredare frekvensområde, finns Analog Devices AD9957BSVZ-REEL, som stöder klockfrekvenser upp till 1 GHz, med utmatningsfrekvenser upp till 400 MHz för avancerade kommunikationstillämpningar. Med en 32-bitars fasackumulator och en 14-bitars högfrekvens-DAC, är den här enheten avsedd att vara en kvadraturmodulator och genererar både ”in-phase-komponenter” (I) och kvadraturkomponenter (Q), styrt av åtta fas-/frekvensregister. Dessa används för att skapa en kvadraturmodulerad dataström vid utgången. Ett omvänt SINC-filter (sin(x)/x) som tillval kan användas för att kompensera för sådan sin(x)/x-formning som har beskrivits tidigare.

Det här var tre exempel på kommersiellt tillgängliga integrerade DDS-kretsar, för enkla till komplicerade signalgenereringsuppgifter.

Slutsats

Konstruktörerna utmanas kontinuerligt att skapa system med bättre trådlösa prestanda, av mindre format, med lägre kostnad och mindre strömförbrukning – DDS-enheter är ett alternativ som kan vara till hjälp. De ger digital stabilitet, flexibilitet och repeterbarhet för signalgenerering, och erbjuder flera utmatningsvågformer samt avancerad moduleringskapacitet, inklusive frekvens- och fashoppning. När de i allt högre grad blir del av konstruktörernas verktygslådor, börjar leverantörerna förenkla urvalsprocessen med hjälp av avancerade verktyg som förenklar designprocessen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Art Pini

Arthur (Art) Pini arbetar som skribent på Digi-Key Electronics. Han har en kandidatexamen i elteknik på City College i New York och en master i elteknik från City University i New York. Arthur har mer än 50 års erfarenhet inom elektronik och har innehaft nyckelroller inom konstruktion och marknadsföring på Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek och Nicolet Scientific. Han är intresserad av mätteknik och har lång erfarenhet av oscilloskop, spektrumanalysatorer, arbiträra vågformsgeneratorer, digitaliserare och effektmätare.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer