Muchos sistemas requieren una entrada de reloj y algunas aplicaciones RF requieren varias frecuencias únicas que deben estar disponibles rápidamente y con gran precisión. Aunque los métodos de síntesis analógica directa se han usado durante décadas, las técnicas de síntesis digital directa han aumentado en popularidad desde la década del 70.
Control de frecuencia de bucle con bloqueo de fase
Todos los controles analógicos de bucle cerrado funcionan en la misma teoría ya sea que controlen un motor o un oscilador de tubo de vacío. Hay una planta (lo que se controla), una entrada que dicta la condición de salida deseada, una medición o bloque de acumulación para determinar el error (a qué distancia está la salida actualmente) y un bloque de control capaz de alterar realmente el comportamiento de la planta para obtener la salida deseada. El bloque de control a menudo se combina con la planta en el diagrama básico, porque ajustar el elemento de control está tan claramente unido a ajustar la salida de la planta.
El control de bucle con bloqueo de fase funciona como un bucle de control estándar en una planta. Los primeros osciladores de tubo de vacío controlados por circuitos PPL, pero chips modernos diseñados para el control de cristal a bordo. El tipo del generador de frecuencia requerido es un oscilador controlado de voltaje (VCO) y muchos CI lo integran al dispositivo, solo se requiere que funcionen los componentes pasivos. Los dispositivos como MC14046B de Semiconductor ON incluye comparadores de fase, un VCO, un seguidor de fuente, diodos protectores, y un circuito de filtrado para generar salidas protegidas que se pueden usar como la salida de un oscilador estándar.
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La entrada de VCO es definida por los resistores externos y los capacitores elegidos por el diseñador. Por lo tanto, usar un resistor variable como un potenciómetro le da al usuario control sobre la frecuencia de salida.
El bucle de control de PLL de la Hoja de datos de MC124046B
Un VCO es exactamente lo que parece, un oscilador que puede cambiar la frecuencia basado en un voltaje de entrada. A menudo se basan en un cristal, que puede presentar problemas como cambio de frecuencia inducido por temperatura o inestabilidad alta. El bucle de control está a merced de la velocidad de los componentes analógicos y puede no ser lo suficiente rápido para algunos diseños. El rango y granularidad de las frecuencias sintetizables también puede ser insuficiente para los sistemas modernos, especialmente aquellos en el espacio de comunicación.
Síntesis analógica directa: teoría vs. realidad
Hay dos arquitecturas de síntesis comunes basadas en el control de frecuencia de PLL. PPL esencialmente le permite multiplicar dos frecuencias para obtener una nueva frecuencia que no sea necesariamente una armónica directa de la frecuencia original. Esto significa que en lugar de usar 100 cristales para obtener 100 frecuencias no armónicas, puede usar 20 fuentes de reloj con solo usar la multiplicación. Esto realmente involucraría más de 20 CI comparadores de fase para obtener agilidad de frecuencia verdaderamente dinámica, pero el costo de la lista de materiales y el espacio de la placa disminuirían al usar 100 cristales.
Esta técnica solo de multiplicación se denomina arquitectura de multiplicar filtro o mezclar filtro. La versión más compleja se denomina mezclar/multiplicar-fijar-dividir y usa ambas técnicas de multiplicación y divisores de reloj.
Un reloj se puede dividir a la mitad, en cuartos, etc. usando la lógica estándar y hay varias familias de CI disponibles que le permiten elegir dinámicamente el nivel de división. Estos CI también proporcionan comúnmente la coincidencia de fase y la amortiguación para maximizar la utilidad inmediata de la señal de salida.
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Aunque las técnicas de síntesis analógica funcionan perfectamente en teoría, hay desafíos de implementación que alientan a la industria a seguir alcanzando mejores soluciones. Un diseño de mezclar filtro es una alternativa elegante cuando se comparar con un banco del oscilador conmutado ya que usa varios menos osciladores mientras mantiene la memoria de la fase, la característica que permite al sintetizador mantener la fase de la frecuencia original hasta la salida. Esto a menudo se interrumpe cuando se usa una arquitectura de mezclar-filtrar-dividir. No todas las aplicaciones requieren la coincidencia precisa de fase, pero el "hipo" resultante en la frecuencia cuando una onda generada comienza en ø=0 es menos que lo ideal para los sistemas de escáner de alta precisión, entre otros.
Síntesis digital directa: rendimiento avanzado
DDS es la pizza de la síntesis de señal. Cada componente o ingrediente individual ha estado presente por mucho tiempo y se ha usado independientemente en una diversa gama de aplicaciones, pero la combinación de varias partes creó un producto que ha tomado vida propia y es adecuado en todas las situaciones.
Aunque un sintetizador digital directo a veces es denominado un Oscilador controlado numéricamente (NCO) en comparación con el VCXO usado en la síntesis analógica, el término "oscilador" es técnicamente erróneo ya que ninguna parte del dispositivo oscila realmente. Más bien, los componentes digitales crean una forma de onda de muestra que se puede ejecutar en un Convertidor de digital a analógico (DAC) para aproximar una onda sinusoidal analógica verdadera.
LOS CI DDS IC requieren una entrada desde un procesador denominado una "palabra crucial". El ancho de bits de esta palabra crucial define los pasos posibles máximos que puede crear el DDS. Esta entrada y una frecuencia de reloj conocida simple entran en el acumulador de fase: un dispositivo que actúa como bloqueo de error en un sistema de control analógico y realiza la integración matemática discreta. La salida del acumulador de fase es una palabra binaria (o decima, en algunas arquitecturas avanzadas) que ingresa en una tabla de búsqueda de asignación sinusoidal. El LUT es básicamente solo un cuadro almacenado en la memoria, y la salida de esta etapa es una onda sinusoidal construida digitalmente. La forma de onda de muestra luego pasa por el DAC y el circuito de filtrado externo para crear una onda sinusoidal analógica fluida.
Los componentes estrictamente digitales pueden operar notablemente rápido y con precisión en comparación con una solución de síntesis analógica, a menudo limitada por la precisión del reloj de entrada en lugar de las limitaciones impuestas por el acumulador o memoria. Sin embargo, el DAC introduce problemas como la degradación de señal y un cuello de botella de velocidad de señal se requiere para producir una forma de onda útil. Por lo tanto, el DAC generalmente es el componente de limitación de rendimiento dentro de un DDS completo. Los fabricantes como los Dispositivos analógicos usan técnicas como múltiples DAS con ancho de bus alto para alcanzar gran rendimiento.
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En general, un DDS puede ofrecer rendimiento mucho más alto en comparación con una gama de frecuencias más amplia con granularidad más fina, pero, a menudo, es una solución más costosa que requiere un entendimiento más avanzado de la síntesis para integrarlo eficazmente en un diseño. Los sistemas más lentos que requieren varias frecuencias todavía pueden encontrar el éxito con un PLL simple basado en la técnica de síntesis analógica, pero la tecnología de DDS ha revolucionado por completo la manera en que los sistemas de alta frecuencia, alta velocidad y alta precisión obtienen los relojes generados.
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