Molti sistemi richiedono un ingresso di clock e alcune applicazioni RF richiedono diverse frequenze uniche che devono essere disponibili rapidamente e con estrema accuratezza. Anche se i metodi di sintesi analogica diretta sono utilizzati da decenni, la popolarità delle tecniche di sintesi digitale diretta è aumentata a partire dal 1970.
Controllo di frequenza Phased-Locked Loop
Tutti i controlli analogici a loop chiuso funzionano sullo stesso principio sia che si tratti di controllare un motore o un oscillatore a tubo a vuoto. Abbiamo un impianto (l’oggetto controllato), un ingresso che detta la condizione di uscita desiderata, un blocco di misurazione o accumulo che determina l’errore (lo scostamento attuale dell’uscita) e un blocco di controllo in grado di alterare il comportamento dell’impianto per ottenere l’uscita desiderata. Nel grafico di base, il blocco di controllo è spesso combinato con l’impianto dato che la regolazione dell’elemento di controllo è chiaramente accoppiato alla regolazione dell’uscita dell’impianto.
Il controllo PLL (Phase-Locked Loop) funziona come un loop di controllo standard intorno a un impianto. I primi circuiti PLL controllavano oscillatori a tubo a vuoto, ma i chip odierni sono progettati per il controllo a cristalli su scheda. Il tipo di generatore di frequenza richiesto è un oscillatore controllato in tensione (VCO) e diversi IC integrano questo nel dispositivo, richiedendo per il funzionamento solo parti passive comuni. I dispositivi quali l’MC14046B di ON Semiconductor includono un comparatore di fase, un VCO, un drain comune, diodi di protezione e circuito di filtraggio per generare uscite memorizzate in buffer che possono essere utilizzate come uscita di un oscillatore standard.
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L’ingresso al VCO è definito dai resistori esterni e dai condensatori scelti dal progettista. Pertanto, l’utilizzo di un resistore variabile, ad esempio un potenziometro consente all’utente di controllare la frequenza in uscita.
Scheda dati del PLL Control Loop MC14046B di ON Semiconductor
Un VCO è esattamente quello che il nome suggerisce, ossia un oscillatore che può modificare la frequenza in base a una tensione in entrata. Essi sono spesso basati su un cristallo, che può introdurre problemi quali cambi di frequenza indotti dalla temperatura o alta distorsione. Il loop di controllo stesso è alla mercé della velocità delle parti analogiche e potrebbe non essere abbastanza veloce per alcuni progetti. La gamma e la granularità delle frequenze sintetizzabili potrebbero inoltre essere insufficienti per i sistemi attuali, soprattutto per quelli nel settore delle comunicazioni.
Sintesi analogica diretta: teoria e realtà
Queste sono due architetture comuni di sintesi basate sul controllo della frequenza PLL. Il PLL consente essenzialmente di moltiplicare due frequenze per ottenere una nuova frequenza che non è necessariamente un’armonica diretta di nessuna delle frequenze originali. Questo significa che invece di utilizzare 100 cristalli per ottenere 100 frequenze non armoniche, si possono utilizzare 20 fonti di clock utilizzando semplicemente la moltiplicazione. In realtà questo richiederebbe più di soli 20 IC comparatori di frequenza per ottenere una vera agilità di frequenza dinamica, ma i costi della BOM e lo spazio sulla scheda si ridurrebbero rispetto all’utilizzo di 100 cristalli.
La tecnica con la sola moltiplicazione è denominata a filtro moltiplicatore o architettura a filtro misto. La versione più complessa è denominata “mix/multiply-fix-divide” e utilizza sia tecniche di moltiplicazione che divisori di clock.
Un clock può essere diviso a metà, in quattro e così via utilizzando una logica standard e sono disponibili diverse famiglie di circuiti integrati che consentono di scegliere dinamicamente il livello di divisione. Questi IC offrono anche comunemente la corrispondenza della fase e il buffering per massimizzare l’utilità immediata del segnale di uscita.
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Anche se le tecniche di sintesi analogica in teoria funzionano splendidamente, le sfide di implementazione hanno spinto il settore a continuare la ricerca per soluzioni migliori. Un progetto a filtro misto è un’alternativa elegante rispetto a un banco di oscillatori commutati dato che utilizza un numero inferiore di oscillatori memorizzando al tempo stesso la memoria della fase, una caratteristica che consente al sintetizzatore di mantenere la fase della frequenza originale fino all’uscita. Questa è spesso interrotta quando si utilizza un’architettura a filtro misto con divisione. Non tutte le applicazioni richiedono una corrispondenza precisa della fase, ma i picchi risultati nella frequenza quando un’onda generata inizia nuovamente da ø=0 non è propriamente ideale ad esempio, per sistemi di scansione di alta precisione.
Sintesi digitale diretta - Prestazioni avanzate
Il DDS può essere considerato come l’aggregatore della sintesi di segnale. Ogni singola parte è in circolazione da moltissimo tempo ed è stata utilizzata indipendentemente in un’ampia gamma di applicazioni, ma la combinazione delle varie parti ha creato un prodotto che ha preso vita propria ed è adatto in quasi ogni situazione.
Anche se un sintetizzatore digitale diretto è denominato in alcuni casi oscillatore controllato numericamente rispetto al VCXO utilizzato nella sintesi analogica, il termine “oscillatore” è tecnicamente incorretto, dato che nessuna parte del dispositivo stesso oscilla. Invece, le parti digitali creano una forma d’onda campionata che può passare in un convertitore da digitale ad analogico (DAC) per approssimare una vera onda sinusoidale analogica.
Gli IC DDS richiedono un ingresso da un processore denominato “tuning word”. L’ampiezza di bit di questa tuning word definisce i passaggi massimi possibili che il DDS può creare. Questo ingresso e una singola frequenza di clock nota entrano nell’accumulatore di fase: un dispositivo che funziona come il blocco di errore in un sistema di controllo analogico ed esegue l’integrazione matematica discreta. L’uscita dell’accumulatore di fase è una parola binaria (o decimale, in alcune architetture avanzate) che entra in una tabella di ricerca di mappatura sinusoidale. La LUT è semplicemente una tabella memorizzata in memoria e l’uscita di questa fase è un’approssimazione di un’onda sinusoidale costruita digitalmente. La forma d’onda campionata passa quindi nel DAC e dei circuiti di filtraggio esterni per creare un’onda sinusoidale analogica omogenea.
Le parti esclusivamente digitali funzionano con estrema rapidità e precisione rispetto a una soluzione di sintesi analogica, spesso limitata dall’accuratezza del clock di ingresso piuttosto che da qualsiasi limitazione imposta dall’accumulatore o dalla memoria. Tuttavia il DAC introduce problemi quali la degradazione del segnale e un collo di bottiglia nella velocità del segnale, ma è tuttavia necessario per creare una forma d’onda utile. Per questo motivo, il DAC è generalmente la parte che limita le prestazioni in un DDS completo. Per ottenere alte prestazioni, i produttori come Analog Devices utilizzano tecniche come DAC con bus ad elevata ampiezza.
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In generale, un DDS può offrire prestazioni maggiori in un’ampia gamma di frequenze con una granularità più fine, ma è spesso una soluzione più costosa che richiede una comprensione avanzata della sintesi per essere efficacemente integrato in un progetto. I sistemi più lenti che richiedono più frequenze possono sempre trovare una soluzione con una semplice tecnica di sintesi analogica basata su PLL, ma la tecnologia DDS ha completamente rivoluzionato il modo con cui i sistemi ad alta frequenza, alta velocità e alta accuratezza ottengono la generazione dei loro clock.
Desideri saperne di più? Guarda la nostra panoramica sintetica: Che cos'è la sintesi digitale diretta?