Bei der kompletten direkten Digitalsynthese (DDS) handelt es sich um eine Technik zur Erzeugung einer analogen Wellenform durch digitale Manipulation des Takts eines festen Systems und Signalausgabe über einen D/A-W. Dies ermöglicht eine gute Frequenzauflösung für zahlreiche Frequenzen und ein schnelles Umschalten zwischen diesen Frequenzen.
Der Prozess zur Takterzeugung über eine DDS, Quelle: Anwendungshinweise AN-823 von Analog Devices
Ausführlichere Informationen über die direkte Digitalsynthese
Die meisten grundlegenden Schaltungskomponenten wie Mikrocontroller erfordern eine einzige Taktfrequenz für Timing und Steuerung. Diese kann durch Verwendung eines Standard-Oszillators erreicht werden, der eine zuvor festgelegte Frequenz ausgibt. Es klingt vielleicht ein bisschen nach New Age, aber es wird manchmal in Gesprächen erwähnt, dass ein hübscher Quarzstein eine Frequenz ausgibt, die mit einem bestimmten Chakra harmonisiert. Die Frequenz eines Quarzoszillators ist abhängig von den piezoelektrischen Eigenschaften des physischen Werkstoffs im Gerät. Obwohl ICs wie Taktteiler und Multiplikatoren existieren und die Möglichkeit besteht, durch einen Austausch der umliegenden Komponenten geringfügige Änderungen der Frequenz vorzunehmen, sind Sie in der Regel auf eine Frequenz pro Quarz beschränkt.
Einige Geräte wie HF-Erreger erfordern mehrere Frequenzen. Selbst wenn diese Frequenzen nicht gleichzeitig benötigt werden, erfordert jede Frequenz, die nicht ein exaktes Vielfaches einer anderen ist, einen eigenen Oszillator. Die meisten dieser Mehrfrequenzanwendungen erfordern auch die Möglichkeit eines schnellen, dynamischen Frequenzwechsels. Dies erfordert ein hohes Maß an Steuerung, das sich bei Systemen, die schnell zwischen mehreren verschiedenen Quarzen wechseln müssen, als nicht möglich erweisen kann.
Über die direkte Digitalsynthese hinaus
Die direkte Digitalsynthese ist nicht die einzige Möglichkeit zur Generierung einer arbiträren Wellenform. Auf der Phasenregelschleife (PLL) basierende Frequenzsynthesizer sind geeignet, wenn die Latenz und Größe der analogen Komponenten nicht problematisch sind und eine niedrige Frequenzsynthese erzielt werden kann, indem lediglich ein Digital-Analog-Wandler (D/A-W) und eine intelligente Programmierung verwendet werden. Doch Anwendungen, die die Agilität und Präzision einer digitalen Steuerung erfordern, stützen sich in der Regel nahezu ausschließlich auf die DDS.
Analog Devices bietet ein hervorragendes Dokument von Eva Murphy und Colm Slattery, das eingehend die Berechnungen und die Logik erläutert, die der direkten Digitalsynthese zugrunde liegen. Doch das Grundprinzip kann anhand einer Abbildung erklärt werden:
Komponenten eines direkten Digitalsynthesizers aus den Application-Engineer-Informationen Nr. 33 von Analog Devices
DDS verwendet einen bekannten Systemtakt und eine vom digitalen Prozessor bereitgestellte Zahl, um eine Sinuswelle zu erzeugen, die auf der Position in einer Suchtabelle basiert, der die Zahl entspricht.
Analog Devices beherrscht die Gespräche über die praktische Implementierung der direkten Digitalsynthese durch Gruppen von Low-Power-ICs, die alle Schritte der DDS in einem einzigen Gehäuse ausführen.
Das Funktionsblockdiagramm des AD9833, eines der bekanntesten Synthesizer des Unternehmens, weist viele Gemeinsamkeiten mit der Abbildung oben auf.
Funktionsblockdiagramm des Modells AD9833 von Analog Devices
Dieses kleine Gerät generiert Sinus-, Rechteck- und Dreieckwellen; Ausgabefrequenz und Phase können vollständig mit der Software programmiert werden. Die für die Automobilbranche ausgelegte IC mit 10 Pins kommuniziert über eine 3-Draht-SPI-Schnittstelle mit einem Mikrocontroller oder einem DSP. Ihr Stromverbrauch bewegt sich lediglich im Milliwattbereich.
Erklärung der einstellbaren Präzision
Die einstellbare Präzision einer IC mit direkter Digitalsynthese hängt von den Frequenzregistern und der bereitgestellten Taktfrequenz ab. Je breiter die Register, in desto mehr gleicht Teile kann die Taktfrequenz aufgeteilt werden. So hat beispielsweise das Modell AD9833 eine Busbreite von 28. Dies bedeutet, dass es 28 Bits binärer Daten speichern oder eine Taktfrequenz auf 268 435 455 Arten mit der Basis 10 aufteilen kann.
Läuft der bereitgestellte Takt mit 1MHz, wäre das Gerät in der Lage, eine Ausgabepräzision von 1MHz dividiert durch 268 435 455 oder ca. 0,004 Hz zu bieten. Bei 25MHz, der maximalen Eingangsfrequenz dieses Geräts, kann die Ausgabe nahezu sofort auf 0,1Hz genau gesteuert werden.
Anwendungen wie agile lokale Oszillatoren (LO) erfordern häufig höhere Frequenzen, tolerieren jedoch eine niedrigere Auflösung.
Das Modell AD9914 von Analog Devices verwendet ein Frequenzregister von nur 16 Bit, kann jedoch eine Eingangsfrequenz von bis zu 3,5 GHz nutzen. Dies reduziert die Auflösung der erzielten Frequenzen, ermöglicht jedoch einen Frequenzwechsel mit der Geschwindigkeit digitaler Technologie durch hohe Frequenzen mit hoher Genauigkeit.
Die direkte Digitalsynthese stellt keine ultimative Lösung für alle Anwendungen dar. Wenn Sie ein IoT-Gerät entwickeln, das sowohl für 2,4GHz als auch für 5GHz geeignet ist, benötigen Sie keine ultraschnellen Frequenzwechsel. Doch für Geräte, die schnelle Wechsel innerhalb eines breiten Frequenzbereichs erfordern (z. B. Chirp-Modulatoren oder polare Modulatoren), können ICs mit direkter Digitalsynthese die Integration dieser hochkomplexen Synthesemethode in Ihre Designs einfacher machen.
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