VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Еще несколько лет назад прямые цифровые синтезаторы частоты (Direct Digital Synthesizers или DDS) имели очень ограниченную областью применения [1]. Их широкое использование сдерживалось сложностью реализации, а также недостаточно широким диапазоном рабочих частот. Несмотря на то, что в настоящее время наиболее популярны синтезаторы на основе фазовой автоподстройки частоты (PLL) [2] и синтезаторы на основе делителей с переменным коэффициентом деления [3], все чаще применяются прямые цифровые синтезаторы. DDS уникальны своей цифровой определенностью: генерируемый ими сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени точно известны и подконтрольны. DDS практически не подвержены температурному дрейфу и старению. Единственным элементом, который обладает свойственными аналоговым схемам нестабильностями, является ЦАП. Все это является причиной того, что в последнее время DDS вытесняют обычные аналоговые синтезаторы частот.

Генератор сигнала является одним из основных приборов в вузовской измерительной лаборатории. Генераторы сигналов промышленного производства имеют большие габариты, вес и довольно высокую стоимость. С появлением микросхем прямого синтеза частоты появилась возможность изготовить генератор сигналов, имеющий довольно высокие параметры при относительно простой схеме и конструкции. На сегодняшний день одним из перспективных направлений современной радиоэлектроники и измерительной техники является техника построения широкополосных генераторов синусоидального напряжения. Причем диапазон выходных частот таких генераторов должен составлять от десятых долей герц до десятков (или даже сотен мегагерц). Кроме того, такие генераторы должны быть способны сформировать во всем диапазоне сколь угодно мелкую сетку и, естественно, иметь возможность регулировки выходного напряжения.

Однако в настоящее время отечественной промышленностью такие генераторы выпускаются только в виде управляемых с помощью внешней ЭВМ модулей, а зарубежные широкополосные генераторы синусоидального напряжения являются достаточно дорогими приборами.

Таким образом, проектирование генератора синусоидальных сигналов с цифровым управлением, реализующего очень широкий диапазон выходных частот (от 0,01 Гц до 10 МГц) и имеющего возможность регулировки амплитуды выходного напряжения в диапазоне от 0 до 10 В с шагом 10 мВ, является вполне актуальной задачей.

Начнем рассмотрение с конечного результата, который нужно получить для структуры DDS. Задача DDS – получить на выходе сигнал синусоидальной формы с заданной частотой. Формирование выходного сигнала происходит в цифровой форме, совершенно очевидна необходимость цифро-аналогового преобразования. В структуре DDS должен быть ЦАП. В любом случае, на выходе ЦАП должен присутствовать ФНЧ для подавления образов выходного спектра, повторяющихся с периодичностью FCLK. Для получения синусоидального сигнала на вход ЦАП необходимо подать последовательность отсчетов функции sin, следующих с частотой дискретизации FCLK. Закон изменения функции sin во времени сложен и цифровыми методами просто не реализуется. Можно, конечно, используя полиномиальное представление, вычислять значения функции sin с помощью АЛУ. Наиболее подходящим методом формирования отсчетов функции sin является табличный метод. Перекодировочная таблица чаще всего размещается в ПЗУ. Код, который подается на адресные входы ПЗУ является аргументом функции sin, а выходной код ПЗУ равен значению функци для данного аргумента. Аргумент функции sin, или фаза меняется во времени линейно. Сформировать линейно меняющуюся во времени последовательность кодов гораздо проще, это способен сделать простой двоичный счетчик. Простейший DDS выглядит как двоичный счетчик формирует адрес для ПЗУ, куда записана таблица одного периода функции sin, отсчеты с выхода ПЗУ поступают на ЦАП, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ и поступающий на выход. Для перестройки выходной частоты используется делитель частоты с переменным коэффициентом деления, на вход которого поступает тактовый сигнал с опорного генератора.

Такая структура DDS имеет очевидные недостатки. Основным недостатком является неудовлетворительная способность к перестройке по частоте. Тактовая частота испытывает деление на целое число, шаг перестройки будет переменным, причем, чем меньше коэффициент деления, тем больше относительная величина шага. Этот шаг будет недопустимо грубым при малых коэффициентах деления.

При перестройке выходной частоты будет меняться и частота дискретизации. Это затрудняет фильтрацию выходного сигнала, а также ведет к неоптимальному использованию скоростных характеристик ЦАП, – они будут в полной мере использованы лишь на максимальной выходной частоте. Гораздо логичнее всегда, независимо от выходной частоты, работать на постоянной частоте дискретизации, близкой к максимальной для используемого ЦАП.

Все недостатки описанной выше структуры могут быть устранены путем введения оригинального изменения. Достаточно адресный счетчик ПЗУ заменить другим цифровым устройством, которое называется накапливающим сумматором. Накапливающий сумматор представляет собой регистр, который в каждом такте работы устройства перезагружается величиной, равной старому содержимому, плюс некоторая постоянная добавка. Как и для счетчика, содержимое регистра линейно увеличивается во времени, только теперь приращение не всегда является единичным, а зависит от величины постоянной добавки. Когда накапливающий сумматор используется для формирования кода фазы, его еще называют аккумулятором фазы. Выходной код аккумулятора фазы представляет собой код мгновенной фазы выходного сигнала. Постоянная добавка, которая используется при работе аккумулятора фазы, представляет собой приращение фазы за один такт работы устройства. Чем быстрее изменяется фаза во времени, тем больше частота генерируемого сигнала. Поэтому значение приращения фазы фактически является кодом выходной частоты.

Если приращение фазы равно единице, то поведение накапливающего сумматора ничем не отличается от поведения двоичного счетчика. Но если приращение фазы будет равно, например, двум, то код фазы будет изменяться вдвое быстрее. При этом на ЦАП коды будут поступать с той же частотой, но они будут представлять собой не соседние отсчеты функции sin, а взятые через один. Частота генерируемого сигнала при этом будет вдвое большей, а частота дискретизации останется прежней.

По существу, тактовая частота испытывает деление на некоторое число, которое определяется кодом частоты и разрядностью аккумулятора фазы. При этом шаг перестройки частоты не зависит от ее значения.

Для уменьшения объема ПЗУ используется свойство симметрии функции sin. В данном DDS в ПЗУ содержится только 1/4 периода поэтому немного усложняется логика формирования адреса.

Таким образом, в DDS аккумулятор фазы формирует последовательность кодов мгновенной фазы сигнала, которая изменяется линейно. Скорость изменения фазы задается кодом частоты. Далее с помощью ПЗУ линейно изменяющаяся фаза преобразуется в изменяющиеся по синусоидальному закону отсчеты выходного сигнала. Эти отсчеты поступают на ЦАП, на выходе которого формируется синусоидальный сигнал, состоящий из «ступенек». Эти «ступеньки» фильтруются с помощью аналогового ФНЧ, на выходе которого получается синусоидальный сигнал.

Выходной синусоидальный сигнал восстанавливается из отдельных отсчетов. Целое число отсчетов на период укладывается лишь в частном случае. В большинстве случаев это не так, и на каждом новом периоде сигнала отсчеты лежат в новых местах. Конечно, картина периодически повторяется, но период повторения может быть самым разным. Он зависит от кода частоты, разрядности аккумулятора фазы и от разрядности используемого кода фазы. В любом случае с равным успехом из последовательности отсчетов будет восстановлен сигнал синусоидальной формы.

Рассмотренная выше структура применяется во всех современных DDS. Объединение в одном чипе быстродействующего ЦАП и собственно DDS позволило получить устройство, альтернативное обычным синтезаторам на основе PLL [3].

В рамках проведенного исследования были достигнуты поставленные цели и задачи, а именно:

1. Исследование схем прямого синтеза сигналов и использования схем прямого синтеза для генерирования сигналов высоких частот.

2. Построение генераторов синусоидальных сигналов с цифровым управлением, реализующих очень широкий диапазон выходных частот (от 0,01 Гц до 10 МГц) и имеющих возможность регулировки амплитуды выходного напряжения в диапазоне от 0 до 10 В с шагом 10 мВ.

Библиографический список

1. Ридико Л.И. DDS: прямой цифровой синтез частоты. – М., "Компоненты и технологии" 2001. – 2001. – № 7.

2. Шахгильдян В.В. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. – М.: Радио и связь, 1989. – 320 с.

3. Nikonov A.V., Nikonova G.V. Frequency synthesizer for automated control systems of the ultra-high frequency range //INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. -1993. -№ 1. - P. 114-118.

Код для цитирования: Скопировать