La Synthèse numérique directe (DDS pour Direct Digital Synthesis) est une technique de production d'une onde de forme analogique par la manipulation numérique d'un signal d'horloge système fixe, puis par le passage de la sortie au travers d'un DAC. Cela permet d'obtenir une résolution fine en fréquence sur une plage étendue, ainsi qu'un passage rapide d'une fréquence à une autre.
Le processus de génération d'un signal d'horloge à l'aide d'une DDS, extrait de la note d'application Analog Devices, AN-823
Synthèse numérique directe : approfondissement
Les composants de circuit les plus fondamentaux tels que les microcontrôleurs nécessitent une seule fréquence d'horloge aux fins de minutage et de contrôle. Cela s'obtient par l'utilisation d'un oscillateur standard qui émet une seule fréquence prédéterminée. Cela peut sembler un peu new-age, mais on entend souvent qu'un joli petit morceau de quartz émet une fréquence que l'on croit capable d'entrer en résonnance avec un chakra particulier. La fréquence d'un oscillateur cristallin dépend des propriétés piézoélectriques du matériau physique du dispositif. Même s'il existe des circuits intégrés tels que des diviseurs et des multiplicateurs de fréquence et qu'il soit possible d'ajuster légèrement la fréquence en modifiant les composants environnants, vous êtes généralement limité à une fréquence par cristal.
Certains dispositifs tels que les exciteurs RF nécessitent plusieurs fréquences. Même si ces fréquences ne sont pas requises concurremment, chacune d'elle qui n'est pas un exact multiple d'une autre nécessite son propre oscillateur. La plupart de ces applications multifréquence nécessitent également de pouvoir passer rapidement et dynamiquement d'une fréquence à l'autre, ce qui demande un niveau de contrôle qui peut être impossible à atteindre pour un système qui doit choisir rapidement entre plusieurs cristaux distincts.
Au-delà de la Synthèse numérique directe
La Synthèse numérique directe n'est pas le seul moyen de produire une onde de forme arbitraire. Les synthétiseurs de fréquence à boucle à verrouillage de phase (PLL, Phase Locked Loop) sont adaptés lorsque la latence et la taille des composants analogique n'est pas un problème et qu'il est possible d'obtenir une synthèse de basse fréquence simplement à l'aide d'un convertisseur numérique-analogique (DAC, Digital to Analog Converter) et un peu de malice de programmation. Toutefois, les applications qui demandent l'agilité et la précision du contrôle numérique reposent presque exclusivement sur la DDS.
Analog Devices comporte un document fantastique de Eva Murphy et Colm Slattery qui explique plus en détail tous les tenants et aboutissants de la synthèse numérique directe, mais le principe fondamental est explicable en image :
Composants d'un synthétiseur numérique direct, extrait de Ask the Application Engineer n° 33 de Analog Devices
La DDS utilise un signal d'horloge système connu et un nombre fourni par le processeur numérique pour générer une onde sinusoïdale fondée sur la position du nombre dans une table de conversion.
Analog Devices a une certaine suprématie en ce qui concerne la mise en œuvre de la DDS avec des familles de circuits intégrés de faible puissance qui réalisent toutes les étapes de la DDS dans un package unique.
Le schéma fonctionnel de l'AD9833, l'un de ses synthétiseurs les plus répandus, offre une nette ressemblance avec l'image ci-dessus.
Schéma fonctionnel de l'AD9833 de Analog Devices
ce petit dispositif est capable de produire des ondes de sortie sinusoïdales, triangulaires ou carrées ; de plus, la fréquence de sortie et la phase sont entièrement programmables par logiciel. Le circuit intégré à 10 broches agréé pour l'automobile communique avec un microcontrôleur ou un DSP par l'intermédiaire d'un SPI à trois fils et ne consomme que quelques milliwatts.
Comprendre la précision réglable
La précision réglable d'un circuit intégré de synthèse numérique directe dépend des registres de fréquence et de la fréquence de l'horloge disponible. Plus les registres sont étendus, plus il est possible de générer des tranches distinctes à partir de la fréquence d'horloge. Par exemple, l'AD9833 a une largeur de bus de 28. Cela signifie qu'il peut stocker 28 bits de données binaires, ou diviser une fréquence d'horloge de 268 435 455 façons en base 10.
SI l'horloge fournie vibre à 1 MHz, le dispositif peut atteindre une précision de sortie de 1 MHz divisé par 268 435 455, soit environ 0,004 Hz. À 25 MHz, la fréquence d'entrée maximale de ce dispositif particulier, il est possible de contrôler la sortie à 0,1 Hz presque instantanément.
Les applications telles que les oscillateurs locaux (LO) agiles requièrent souvent des fréquences plus élevées, mais elles acceptent aussi des résolutions plus faibles.
L'AD9914 de Analog Devices utilise un registre de fréquence de 16 bits seulement, mais il peut accepter en entrée une fréquence jusqu'à 3,5 GHz. Cela produit une résolution plus grossière des fréquences atteignables, mais permet de passer d'une fréquence à une autre avec une haute précision dans les hautes fréquences à la vitesse du numérique.
La synthèse numérique directe n'est pas la solution ultime pour toutes les applications. Si vous élaborez un appareil IoT que vous souhaitez rendre compatible à la fois pour 2,4 GHz et 5 GHz, vous n'avez pas besoin d'une capacité de saut de fréquence ultra-rapide. Toutefois, si vous élaborez un produit qui doit parcourir rapidement une large plage de fréquences, comme une source chirp ou un modulateur polaire, les circuits intégrés de synthèse numérique directe facilitent l'intégration de cette méthode de synthèse très complexe dans vos projets.
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