De nombreux systèmes nécessitent en entrée un signal d'horloge et certaines applications RF requièrent plusieurs fréquences uniques qui doivent être disponibles rapidement et avec une grande précision. Bien que les méthodes de synthèse analogiques aient été en usage pendant des décennies, les techniques de synthèse numérique directe gagnent en popularité depuis les années 1970.
Contrôle de fréquence à boucle à verrouillage de phase
Tous les contrôles analogiques à boucle fermée fonctionnent selon les mêmes principes, qu'il s'agisse de contrôler un moteur ou un oscillateur à tube à vide. Il y a une usine (la chose à contrôler), une entrée qui dicte la condition de sortie souhaitée, un bloc de mesure ou d'accumulation qui détermine l'erreur (à quelle distance se trouve la sortie actuellement), et un bloc de contrôle capable de modifier réellement le comportement de l'usine pour obtenir la sortie souhaitée. Le bloc de contrôle est souvent confondu avec l'usine dans le schéma de base, car l'ajustement de l'élément contrôleur est très clairement couplé avec l'ajustement de la sortie de l'usine.
Le contrôle à boucle à verrouillage de phase fonctionne comme une boucle de contrôle standard sur une usine. Les premiers circuits PLL contrôlaient des oscillateurs à tube à vide, mais les puces modernes sont conçues pour le contrôle sur carte par cristal. Le type de générateur de fréquence requis est un oscillateur contrôlé par tension (VCO) et de nombreux circuits intégrés l'intègrent dans leur dispositif, ce qui n'implique que l'utilisation de composants passifs courants. Les dispositifs tels que le MC14046B de ON Semiconductor comprennent des comparateurs de phase, un VCO, un suiveur de source, des diodes de protection et un circuit de filtrage pour produire des sorties mises en tampon qui peuvent être utilisées comme les sorties d'un oscillateur standard.
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L'entrée du VCO est définie par les résistances et les condensateurs externes choisis par le concepteur. Par conséquent, l'utilisation d'une résistance variable telle qu'un potentiomètre permet à l'utilisation de choisir la fréquence de sortie.
Fiche technique de la boucle de contrôle PLL du MC14046B de ON Semiconductor
Un VCO, oscillateur contrôlé par tension, fait exactement ce qu'il annonce : c'est un oscillateur qui peut changer de fréquence en fonction de sa tension d'entrée. Les VCO sont souvent basés sur un cristal, lequel peut introduire des problèmes tels que les décalages de fréquence dus à la température ou une forte gigue. La boucle de contrôle elle-même est à la merci des la vitesse des composants analogiques et peut ne pas être suffisamment rapide pour certaines conceptions. La plage et la granularité des fréquences synthétisables peuvent également être insuffisantes pour certains systèmes modernes, en particulier dans le domaine des communications.
Synthèse numérique directe : la théorie et la réalité
Il existe deux architectures de synthèse courantes fondées sur le contrôle de fréquence par PLL. La PLL vous permet, pour l'essentiel, de multiplier deux fréquences pour en obtenir une troisième qui n'est pas forcément un harmonique direct de l'une des deux premières. Cela implique qu'au lieu d'utiliser deux cristaux pour avoir 100 fréquences non harmoniques, il suffit d'utiliser 20 générateurs de signaux d'horloge et une simple multiplication. En réalité il faudrait utiliser plus que 20 circuits intégrés comparateurs de phase pour profiter d'une véritable agilité dynamique en fréquence, mais le coût de BOM et l'espace de carte sont quand même diminués par rapport à l'emploi de 100 cristaux.
Cette technique qui ne repose que sur la multiplication est appelée architecture mix-filter ou multiplication-filtrage. Sa version plus complexe s'appelle « mix/multiply-fix-divide » et emploie à la fois les techniques de multiplication et des diviseurs de fréquence.
Un signal d'horloge peut être divisé par deux, par quatre, etc. à l'aide de la logique standard, et il existe plusieurs familles de circuits intégrés pour vous permettre de choisir dynamiquement le niveau de division. Ces circuits intégrés assurent également la concordance de phase et la mise en tampon pour optimiser l'utilité immédiate du signal de sortie.
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Bien que les techniques de synthèse analogique fonctionnent merveilleusement en théorie, leurs difficultés de mise en œuvre ont incité le secteur à rechercher de meilleures solutions. Une conception mix-filter constitue une alternative élégante par rapport à une batterie d'oscillateurs commutés car elle emploie plusieurs oscillateurs de moins tout en conservant la mémoire de phase ; cette caractéristique permet de conserver la phase de la fréquence d'origine jusqu'à la sortie. Elle est souvent perdue lors de l'utilisation d'une architecture « mix-filter-divide ». Toutes les applications ne nécessitent pas une concordance de phase précise, mais les « hoquets » de fréquence qui résultent lorsqu'une onde générée redémarre à ø=0 ne sont pas du tout favorables aux scanners de haute précision, entre autres.
Synthèse numérique directe – Performances de pointe
La DDS est à la synthèse de signaux ce que la pizza est à la gastronomie. Chaque composant ou ingrédient pris séparément existe depuis très longtemps et a servi indépendamment dans des applications très diverses, mais la combinaisons de ces différentes parties a engendré un produit qui a pris une vie propre et s'adapte à peu près à toutes les situations.
Bien que l'on appelle parfois un synthétiseur numérique direct un oscillateur contrôlé numériquement (NCO pour Numerically Controlled Oscillator) par comparaison au VCXO utilisé dans la synthèse analogique, le terme « oscillateur » est une erreur technique, car aucune partie du dispositif ne présente réellement d'oscillation. Les composants numériques produisent plutôt une forme d'onde échantillonnée qui peut passer au travers d'un DAC (Digital to Analog Converter) pour restituer l'approximation d'une vraie onde sinusoïdale analogique.
Les circuits intégrés de DDS requièrent une entrée provenant d'un processeur appelé « mot de syntonisation ». La largeur de bit de ce mot de syntonisation définit le pas maximal que peut produire la DDS. Cette entrée et une fréquence d'horloge unique connue sont en entrée de l'accumulateur de phase : ce dispositif se comporte comme le ferait le bloc d'erreur dans un système de contrôle analogique et réalise l'intégration mathématique discrète. La sortie de l'accumulateur de phase est un mot binaire (ou décimal dans certaines architectures évoluées) qui entre dans une table de conversion de transformation sinusoïdale. La table est en pratique un simple tableau stocké dans la mémoire, et la sortie de cette étape est une approximation construite numériquement d'une onde sinusoïdale. L'onde de forme échantillonnée traverse alors le DAC et un circuit de filtrage externe pour devenir une vraie onde sinusoïdale.
Les composants strictement numériques peuvent opérer à la vitesse de l'éclair et avec une précision incomparable avec celle d'une solution de synthèse analogique, souvent limitée par la précision de l'horloge d'entrée plutôt que par les limitations imposées par l'accumulateur ou la mémoire. Toutefois, le DAC introduit des problèmes tels que la dégradation du signal et un goulot d'encombrement pour la vitesse, bien qu'il soit requis pour générer une forme d'onde exploitable. Par conséquent, le DAC est généralement le composant qui limite les performances d'une DDS complète. Les fabricants tels que Analog Devices emploient des techniques telles que plusieurs DAC à grande largeur de bus pour atteindre des performances élevées.
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Par-dessus tout, une DDS peut offrir de bien meilleures performances sur une plage de fréquences plus étendue avec une granularité plus fine, mais elle constitue souvent une solution plus onéreuse qui requiert une compréhension plus approfondie de la synthèse pour l'intégrer efficacement à une conception. Pour les systèmes lents qui nécessitent plusieurs fréquences, on peut atteindre le résultat souhaité avec une simple technique de synthèse analogique à base de PLL, mais la technologie de la DDS a complètement révolutionné la manière dont les systèmes à haute fréquence, grande vitesse et haute précision obtiennent leurs signaux d'horloge.
Vous voulez en apprendre davantage ? Regardez notre rapide présentation : Qu'est-ce que la synthèse numérique directe ?