Zahlreiche Systeme erfordern eine Takt-eingabe und einige HF- Anwendungen benötigen mehrere Einzelfrequenzen, die schnell und mit höchster Genauigkeit bereitgestellt werden müssen. Direkte Analogsynthesemethoden werden bereits seit Jahrzehnten genutzt; die Techniken der direkten Digitalsynthese nehmen seit den 1970er Jahren an Beliebtheit zu.
Frequenzsteuerung mit Phasenregelschleife (PLL)
Alle analogen Steuerungen mit geschlossenen Regelkreisen beruhen auf der gleichen Theorie – ob sie einen Motor steuern oder einen Röhren-Oszillator. Beteiligt sind stets eine Anlage (der gesteuerte Gegenstand), eine Eingabe, die den gewünschten Ausgabezustand bedingt, einen Mess- oder Akkumulationsblock zur Fehlerbestimmung (aktuelle Abweichung der Ausgabe) und einen Steuerblock, der das Verhalten der Anlage verändern kann, um die gewünschte Ausgabe zu erhalten. Der Steuerblock ist häufig kombiniert mit der Anlage im Grunddiagramm, da die Einstellung des Steuerelements so stark an die Anpassung der Anlagenausgabe gekoppelt ist.
Die Steuerung mit der Phasenregelschleife (PLL) wirkt wie ein Standardregelkreis rund um eine Anlage. Die ersten PLL-Schaltkreise steuerten Röhrenoszillatoren, aber moderne Chips sind für die Steuerung integrierter Quarze vorgesehen. Der erforderliche Frequenzgeneratortyp ist ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) und zahlreiche ICs integrieren einen solchen in das Gerät, wodurch lediglich passive Komponenten für den Betrieb erforderlich sind. Geräte wie das Modell MC14046B von ON Semiconductor enthalten Phasenvergleicher, einen VCO, einen Source Follower, Schutz-dioden und Filter-Schaltkreise zur Generierung gepufferter Ausgaben, die wie der Ausgang eines Standardoszillators verwendet werden können.
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Die Eingabe zum VCO ist von den externen Widerständen und Kondensatoren abhängig, die der Designer ausgewählt hat. Daher ermöglicht die Verwendung eines variablen Widerstands wie eines Potenziometers dem Nutzer eine Steuerung der Ausgabefrequenz.
Der PLL-Regelkreis des Datenblatts MC14046B von ON Semiconductor
Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist genau das, was sein Name ausdrückt: ein Oszillator, der die Frequenz auf der Basis einer Eingangsspannung wechseln kann. Es handelt sich dabei häufig um Oszillatoren auf Quarzbasis, was zu Problemen wie einer temperaturbedingten Verschiebung oder hohen Jitter führen kann. Der Regelkreis selbst ist von der Geschwindigkeit der analogen Komponenten abhängig und evtl. für bestimmte Designs nicht schnell genug. Auch der Bereich und die Granularität der synthetisierbaren Frequenzen können für moderne Systeme ungenügend sein, besonders für den Bereich Kommunikation.
Direkte Analogsynthese: Vergleich von Theorie und Realität
Es gibt zwei gängige Synthesearchitekturen, die auf der PLL-Frequenzsteuerung beruhen. Mit PLL können hauptsächlich zwei Frequenzen multipliziert werden. Erhalten wird eine neue Frequenz, die nicht unbedingt eine Harmonische einer der beiden Originalfrequenzen sein muss. Dies bedeutet, dass anstatt der Verwendung von 100 Quarzen für 100 nicht-harmonische Frequenzen durch einfache Multiplikation auch 20 Taktquellen verwendet werden können. Dies würde die Verwendung von über 20 Phasenvergleicher-ICs voraussetzen, um eine echte dynamische Frequenzagilität zu erhalten, aber sowohl die BOM-Kosten als auch der Platzbedarf der Platine würden durch die Verwendung von 100 Quarzen sinken.
Diese reine Multiplikationstechnik nennt man multiplikativen Filter oder Mix-Filter-Architektur. Die komplexere Version wird als Mix/Multiplikator-Festwert-Teilung bezeichnet und nutzt beide Multiplikationstechniken und Taktteiler.
Ein Takt kann durch Standardlogikhalbiert oder geviertelt werden, und es gibt mehrere IC-Familien, die eine dynamische Auswahl der Divisionsebene ermöglichen. Diese ICs bieten für gewöhnlich auch Phasenabstimmung und -pufferung, um den sofortigen Nutzen des Ausgangssignals zu maximieren.
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Analoge Synthesetechniken funktionieren zwar in der Theorie sehr gut, bei der Implementierung treten jedoch häufig Probleme auf, weshalb die Branchenunternehmen weiter nach besseren Lösungen sucht. Ein Mix-Filterdesign stellt im Vergleich mit einer geschalteten Oszillatorbank eine elegante Alternative dar, da es einige Oszillatoren weniger verwendet und den Phasenspeicher beibehält – die Eigenschaft, durch die der Synthesizer die Phase der Originalfrequenz bis zum Ausgang beibehalten kann. Bei Verwendung einer Mix-Filter-Teilungsarchitektur wird diese häufig unterbrochen. Nicht alle Anwendungen erfordern eine genaue Phasenabstimmung, aber die Frequenzvariation, die entsteht, wenn eine generierte Welle wieder bei ø=0 startet, ist natürlich alles andere als ideal für hochpräzise Abtastgeräte, um nur ein Beispiel zu nennen.
Direkte Digitalsynthese - Mehr Leistung
DDS ist die „Pizza“ der Signalsynthese. Die verschiedenen Einzelkomponenten gibt es bereits seit langer Zeit und sie werden unabhängig voneinander in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, doch durch die Kombination der verschiedenen Teile ist ein Produkt entstanden, das eine Eigendynamik entwickelt hat und für die meisten Situationen geeignet ist.
Obwohl ein direkter Digitalsynthesizer in Gegenüberstellung zu dem für die Analogsynthese verwendeten VCXO manchmal auch als numerisch gesteuerter Oszillator (NCO) bezeichnet wird, ist der Begriff „Oszillator“ technisch nicht korrekt, da kein Geräteteil wirklich oszilliert. Die Digitalkomponenten erzeugen eher eine abgetastete Wellenform, die durch einen Digital-Analog-Wandler (D/A-W) geleitet wird, um eine echte analoge Sinuswelle zu simulieren.
DDS-ICs benötigen eine Eingabe von einem Prozessor, der als „Tuning Word“ bezeichnet wird. Die „Tuning Word“-Bitbreite definiert die maximal möglichen Schritte, die durch die DDS erstellt werden können. Diese Eingabe und eine einzige bekannte Taktfrequenz werden in den Phasenakkumulator geleitet: Das ist ein Gerät, das sich so verhält wie der Fehlerblock in einem analogen Steuersystem und eine diskrete mathematische Integration durchführt. Die Ausgabe des Phasenakkumulators ist ein Binärwört (bzw. in einigen komplexen Architekturen ein Dezimalwort), das in eine Sinus-Mapping-Suchtabelle eingegeben wird. Der LUT ist im Wesentlichen ein im Speicher gespeichertes Diagramm, und die Ausgabe dieses Schritts ist eine digital simulierte Sinuswelle. Die abgetastete Wellenform wird dann durch den D/A-W und externe Filterschaltkreise geleitet, um eine geglättete analoge Sinuswelle zu erzeugen.
Die rein digitalen Komponenten arbeiten im Vergleich mit einer analogen Syntheselösung erstaunlich schnell und präzise und sind häufig eher durch die Genauigkeit des Eingangstakts begrenzt als durch akkumulator- oder speicherbedingten Einschränkungen. Doch durch den D/A-W entstehen Probleme wie eine Signalabschwächung, und für die Generierung einer verwertbaren Wellenform ist ein Engpass der Signalgeschwindigkeit erforderlich. Daher ist der D/A-W in der Regel die leistungsbegrenzende Komponente einer kompletten DDS. Um hohe Leistungen zu erzielen, nutzen Hersteller wie Analog Devices Techniken wie mehrere D/A-Ws mit hoher Busbreite.
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Insgesamt kann eine DDS deutlich höhere Leistungen für einen breiteren Frequenzbereich mit feinerer Granularität bieten. Sie stellt jedoch häufig eine kostenintensivere Lösung dar, für deren Integration in Designs ein umfassendes Syntheseverständnis erforderlich ist. Langsamere Systeme, die mehrere Frequenzen erfordern, können mit einer einfachen PLL-basierten analogen Synthesetechnik auch weiterhin ihren Zweck erfüllen, aber die DDS-Technologie stellt zur Takterzeugung für hochpräzise Systeme mit hohen Frequenzen und Geschwindigkeiten eine Revolution dar.
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