Печать

DDS: прямой цифровой синтез частоты - PLL-синтезатор со сдвигом частоты с помощью DDS

Опубликовано . Опубликовано в Справочник

Рейтинг:   / 9
ПлохоОтлично 

PLL-синтезатор со сдвигом частоты с помощью DDS

 

Для того, чтобы получить высокое частотное разрешение для PLL-синтезатора, можно добавить сдвиг выходной частоты, выполненный с помощью DDS. Структура такого синтезатора в точности такая же, как и у многопетлевого PLL-синтезатора. Только вместо PLL высокого разрешения используется DDS (рис.18). В этом случае частотное разрешение будет таким же, как и у DDS (или в P раз хуже, если применен дополнительный прескалер). Одновременно такой синтезатор будет иметь широкую полосу рабочих частот, свойственную PLL-синтезаторам.

Сдвиг выходной частоты с помощью PLL

Рисунок 18. Сдвиг выходной частоты с помощью PLL

Поскольку частотное разрешение определяет DDS, становится возможным выбрать частоту сравнения в PLL относительно большой. А это позволит увеличить частоту среза ФНЧ в петле, что обеспечит относительно быструю перестройку по частоте. Низкий
коэффициент умножения в PLL позволяет получить низкий уровень фазовых шумов. Фазовые шумы выходного сигнала в полосе пропускания петли равны фазовым шумам опорного генератора + 20log(M/N) dB. Низкое отношение M/N минимизирует фазовые шумы. Обычно полоса пропускания петли составляет около 10% от частоты сравнения. Повышенная частота сравнения позволяет увеличить полосу пропускания, что приведет к подавлению шумов VCO в более широкой полосе частот.
Выходная частота синтезатора будет определяться формулой:
FOUT = (P·M/N)·FCLK + P·FDDS

Если дополнительный делитель частоты на P отсутствует, то следует принять P = 1.
PLL обеспечивает грубый шаг FCLK/N, а внутри шага перестройку обеспечивает DDS. Соответственно рабочая полоса частот DDS должна иметь ширину не менее, чем один шаг PLL.

Преобразование выходной частоты вверх

Простым способом расширения частотного диапазона DDS является преобразование частоты вверх (рис. 19). Для этого отфильтрованный выходной сигнал DDS частотой F1 подается на смеситель вместе с сигналом высокочастотного генератора частотой F2. На выходе смесителя будут присутствовать компоненты F2 + F1 и F2 – F1, один из которых можно выделить выходным полосовым фильтром. В общем случае, преобразование можно выполнить не на фиксированную частоту, а с помощью прямого аналогового синтезатора (DAS). В этом случае будет иметь место гибридный DDS/DAS-синтезатор, возможности по перестройке у которого еще шире.

Сдвиг выходной частоты DDS вверх

Рисунок 19. Сдвиг выходной частоты DDS вверх

Fractional PLL синтезатор.

Применив DDS в петле PLL, можно добиться дробных коэффициентов умножения частоты. Как указывалось выше, PLL производит умножение опорной частоты на величину К = M/N, где М – коэффициент деления выходной частоты (частоты VCO), N – коэффициент деления опорной частоты. Если последовательно с M-делителем включить DDS (рис. 20), то результирующий коэффициент умножения будет равен К = 2N·M/N·MDDS, где MDDS – код частоты DDS. Таким образом, в качестве опорной частоты DDS используется выходная частота PLL, поделенная прескалером. Это возможно, так как DDS допускает изменение опорной частоты в широком диапазоне. Сохраняя все качества PLL синтезатора, такой синтезатор будет иметь более высокое частотное разрешение.

Fractional PLL синтезатор

Рисунок 20. Fractional PLL синтезатор

Примеры DDS

В последнее время DDS стали встраивать даже в недорогие микросхемы. Примером может служить микросхема TRF4900 фирмы Texas Instruments, которая предназначена для построения маломощных передатчиков. Эта микросхема представляет собой законченный передатчик для диапазона 850 – 950 МГц, может использовать аналоговую FM или цифровую FSK модуляцию при скорости передачи данных до 115 Кбод. Цифровую FSK модуляцию обеспечивает встроенный DDS, который управляет PLL. Благодаря DDS микросхема может работать в системах радиосвязи с перескоком частоты (frequency hopping), время перескока составляет около 30 мкс. Микросхема имеет 24-выводный корпус, заявленная цена в партиях от 1000 штук составляет всего 2.19$.

Следует отметить, что сфера применения DDS не ограничивается радиочастотным оборудованием. Недорогая микросхема интегрального DDS может с успехом выполнять и роль генератора звуковых частот. В этом случае возможна работа с передискретизацией, что повышает качество выходного сигнала и упрощает аналоговый фильтр.

Параметры интегральных DDS приведены в приложении 1. Полными DDS являются все модели от Analog Devices и одна модель (ISL5314) от Intersil, имеющая 14-битный ЦАП. Остальные микросхемы представляют собой Numerically Controlled Oscillators (NCOs) и требуют внешнего ЦАП. Самые быстродействующие микросхемы фирмы Gigabit Logic вообще содержат только аккумулятор фазы и требуют еще и внешнего ПЗУ. Некоторые микросхемы имеют дополнительные узлы: например, HSP45116 имеет смеситель, а AD9856 представляет собой квадратурный up-converter.

В качестве конкретного примера можно рассмотреть структуру недорогого DDS AD9835 фирмы Analog Devices. Микросхема имеет 16 выводов, максимальная тактовая частота составляет 50 МГц, для работы требуется всего одно напряжение питания +5 В, потребляемая мощность не превышает 200 мВт.

Структурная схема DDS AD9835 фирмы Analog Devices

Рисунок 21. Структурная схема DDS AD9835 фирмы Analog Devices

Структурная схема DDS AD9835 показана на рис. 21. Управление DDS осуществляется с помощью 3-х проводного последовательного интерфейса, максимальная частота которого составляет 20 МГц. DDS имеет встроенный 10-разрядный ЦАП с токовым выходом. Номинальный выходной ток для полной шкалы составляет 4 мА. Значение этого тока может задаваться внешним резистором. ЦАП работает как со встроенным, так и с внешним источником опорного напряжения. DDS имеет 32-разрядный аккумулятор фазы, что при тактовой частоте 50 МГц обеспечивает частотное разрешение около 0.01 Гц. Внутри DDS код фазы имеет разрядность 12 бит. Для осуществления фазовой модуляции между аккумулятором фазы и ПЗУ включен сумматор, на который поступает код фазы с одного из четырех регистров. Переключение регистров может осуществляться как через последовательный интерфейс, так и с помощью внешних выводов PSEL0 и PSEL1. Имеются также два регистра частоты, которые также могут переключаться двумя способами. Это позволяет осуществлять высокоскоростную FSK модуляцию. Схема включения DDS AD9835 показана на рис. 22.

Схема включения DDS AD9835

Рисунок 22. Схема включения DDS AD9835

Не все интегральные DDS имеют возможность регулировки амплитуды в цифровом виде. В то же время большинство интегральных DDS фирмы Analog Devices имеют возможность регулировки шкалы встроенного ЦАП. Для этого служит специальный вывод Rset. К этому выводу подключается резистор, который и задает максимальный выходной ток ЦАП. Для таких DDS довольно просто реализуется цифровое управление ампитудой. Резистор можно заменить умножающим ЦАП, тогда код, загруженный в ЦАП, и будет определять выходную амплитуду DDS (рис. 23). Конечно, такой метод менее быстродействующий, чем цифровое управление амплитудой внутри DDS, так как полоса пропускания схем формирования опорного напряжения типично составляет несколько десятков килогерц. Но во многих случаях этого вполне достаточно.

Регулировка амплитуды DDS AD9850/51

Рисунок 23. Регулировка амплитуды DDS AD9850/51

Автор: Ридико Леонид Иванович