Princip generátorů DDS7

Generátory funkcí (signální generátory) DDS7 jsou, jak již název napovídá, založeny na principu přímé digitální syntézy. Tento způsob generování napěťového signálu umožňuje generátorům DDS7 dosahovat vynikajících parametrů výstupních signálů (viz specifikace) a umožňuje také snadné a inteligentní ovládání.

Princip přímé digitální syntézy je stručně popsán v následujícím textu.

Princip přímé digitální syntézy (DDS)

Syntezátory frekvence obecně využívají referenční signál s konstantní frekvencí. Výstupní frekvence je pak pomocí digitálních, digitálně-analogových a/nebo analogových obvodů generována jako určitý násobek (podíl) této referenční frekvence a lze ji měnit jen diskrétně. Krok diskrétní změny výstupní frekvence (viz následující vztahy) závisí na poměru hodinové frekvence a počtu bitů řídícího slova. Tento krok běžně bývá v řádu setin Hz. Referenční oscilátor s pevnou výstupní frekvencí lze v praxi vytvořit s velmi dobrou frekvenční stabilitou, respektive řádově lepší než v případě oscilátorů s proměnnou frekvencí. Frekvenční stabilita výstupního signálu je pak dána pouze frekvenční stabilitou referenčního oscilátoru. V případě přímé digitální syntézy je syntezátor tvořen výhradně digitálními obvody a výstupním digitálně-analogovým převodníkem. Přímá digitální syntéza je označována také zkratkou DDS z anglického Direct Digital Synthesis. Na obr.1 je znázorněno základní zjednodušené blokové schéma přímé digitální syntézy.

Blokové schéma přímé digitální syntézy

Obr.1 : Blokové schéma přímé digitální syntézy

Binární číslo určující výstupní frekvenci se vkládá sériově nebo paralelně do tzv. delta registru. Toto číslo je určeno dle konkrétní realizace 24 až 48 bity a nazývá se ladící slovo. V blokovém schématu je označeno jako M. Po resetu jsou oba registry vynulovány. Při každém hodinovém cyklu akumulátor fáze přičte k aktuální hodnotě N ve fázovém registru hodnotu M z delta registru pomocí sčítačky. Dokud nedojde k přetečení fázového registru, bude platit pro k-tý hodinový cyklus:

N=k.M vzorec pro vysvětlení principu funkčního generátoru DDS

Hodnota ve fázovém registru se tedy bude při konstantní hodinové frekvenci v čase lineárně zvyšovat. K přetečení fázového registru zde dojde každou periodu výstupního signálu. Při přetečení ve fázovém registru zůstane zbytek po přetečení a děj dále pokračuje. Fázový registr spolu se sčítačkou tvoří tzv. fázový akumulátor. Hodnota fázového registru adresuje místo v paměti ROM s tabulkou funkce sinus. V této paměti jsou uloženy hodnoty funkce sinus pro diskrétně a lineárně se zvětšující argument (úhel). Aby nemusela být paměť ROM zbytečně veliká, používá se pro její adresaci pouze několik (běžně 10 až 14) nejvyšších bitů z fázového akumulátoru.

Na obr.2 je zobrazen digitální fázový kruh zjednodušeného DDS systému pro maximální hodnotu Nmax = 15 a pro ladící slovo M = 3. Po resetu je ve fázovém registru hodnota N = 0, což odpovídá bodu na kruhu zcela vpravo a nulové hodnotě funkce sinus. Při prvním hodinovém cyklu se hodnota fázového registru zvýší na N = 3, což odpovídá skoku na digitálním fázovém kruhu proti směru hodinových ručiček. Na tomto kruhu je vyznačena i hodnota uložená v ROM paměti funkce sinus jako svislá čára mezi osou a konkrétním bodem na kruhu.

Digitální fázový kruh

Obr.2 : Digitální fázový kruh

Frekvence výstupního signálu bude:

Vzorec pro výstupní frekvenci generátoru

kde fs je hodinová frekvence a fout je frekvence výstupní.

Maximální hodnota ladícího slova vychází z Nyqustova kritéria. Maximální hodnota přičtení fáze je tedy v tomto kruhovém diagramu 180°, což odpovídá v tomto konkrétním případě Mmax = 8. Při M = 8 by sice bylo splněno Nyqustovo kritérium, ale na výstupu by mohl být obdélníkový signál náhodné amplitudy a nebo dokonce konstantní nulová úroveň. Proto platí:

Vzorec pro Mmax v DDS

V praxi je však třeba volit maximální hodnotu ladícího slova nižší kvůli reálným vlastnostem výstupního rekonstrukčního filtru, respektive jeho omezené strmosti.

Díky vysoké referenční frekvenci (konkrétně 75 MHz) a vzhledem k použití kvalitního eliptického rekonstrukčního filtru může generátor DDS7 pracovat až do výstupní frekvence 20 MHz.