La sintesi digitale diretta (DDS) completa è una tecnica per produrre una forma d’onda analogica manipolando digitalmente un clock fisso di sistema e passando l’output in un DAC. Questa consente una risoluzione di frequenza fine per un’ampia gamma di frequenze e una commutazione rapida tra queste frequenze.
La procedura di generazione di un clock da un DDS, come descritto nella Nota sulle applicazioni AN-823 di Analog Devices
Sintesi digitale diretta: approfondimento
La maggior parte delle parti del circuito, ad esempio i microcontroller richiedono una singola frequenza di clock a scopo di temporizzazione e controllo. Questo si può ottenere utilizzando un oscillatore standard che emette una frequenza prefissata. Questo può sembrare un po’ new age, ma il fatto che un pezzo di quarzo emetta una frequenza che si creda entri in risonanza con un determinato chakra è oggetto di conversazioni che niente hanno a che vedere con l’elettronica. La frequenza di un oscillatore a cristalli dipende dalle proprietà piezoelettriche del materiale fisico nel dispositivo. Anche se sono disponibili circuiti integrati (IC) come i moltiplicatori e i divisori di clock ed è possibile effettuare piccole regolazioni sulla frequenza modificando le parti circostanti, l’assunto è che a ogni cristallo corrisponde una sola frequenza.
Alcuni dispositivi, ad esempio gli eccitatori RF, richiedono più frequenze. Anche se queste frequenze non sono richieste contemporaneamente, ogni frequenza che non sia un multiplo esatto di un’altra, richiede un suo oscillatore. La maggior parte di queste applicazioni multifrequenza richiede inoltre di poter saltare rapidamente e dinamicamente tra le frequenze; questo richiede un livello di controllo che risulta impossibile per un sistema che deve selezionare rapidamente tra più cristalli diversi.
Oltre la sintesi digitale diretta
La sintesi digitale diretta non rappresenta l’unico modo per generare una forma d’onda arbitraria. I sintetizzatori Phase Locked Loop (PLL) basati su frequenza, rappresentano una scelta adatta quando la latenza e le dimensioni delle parti analogiche non rappresentano un problema e la sintesi delle basse frequenze può essere ottenuta utilizzando solo un convertitore da digitale ad analogico (DAC) e una programmazione avanzata. Tuttavia, le applicazioni che richiedono l’agilità e la precisione del controllo digitale fanno quasi esclusivamente affidamento su DDS.
Analog Devices offre un documento eccezionale scritto da Eva Murphy e Colm Slattery nel quale sono illustrati in maggior dettaglio i calcoli e la logica della sintesi digitale diretta, ma il principio di base può essere spiegato con un’immagine:
Parti di un sintetizzatore digitale diretto da Ask the Application Engineer n. 33 di Analog Devices
Il DDS utilizza un clock di sistema noto e un numero fornito dal processore digitale per creare un’onda sinusoidale basata sulla posizione in una tabella di ricerca a cui corrisponde il numero.
Analog Devices è l’attore principale per l’implementazione pratica del DDS con famiglie di circuiti integrati a bassa potenza che svolgono tutte le fasi del DDS in una singola confezione.
Il diagramma a blocchi funzionale del sintetizzatore AD9833, uno di quelli più utilizzati, è molto simile alla figura sopra riportata.
Diagramma a blocchi funzionale dell’AD9833 di Analog Devices
Questo piccolo dispositivo è in grado di produrre onde di uscita sinusoidali, triangolari e quadrate e la frequenza e la fase in uscita sono completamente programmabili da software. Il circuito integrato per il settore automobilistico a 10 pin comunica con un microcontroller o un DSP tramite un SPI a 3 fili e consuma solo alcuni milliwatt di potenza.
Precisione regolabile
La precisione regolabile di un circuito integrato di sintesi digitale diretta dipende dai registri di frequenza e dalla frequenza del clock fornita. Più ampi sono i registri e più uniche possono essere le porzioni create dalla frequenza del clock. Ad esempio, l’ampiezza del bus dell’AD9833 è 28. Questo significa che può memorizzare 28 bit di dati binari o può suddividere la frequenza del clock fino a 268.435.455 modi in base 10.
Se il clock fornito è di 1 MHz, il dispositivo è in grado di fornire una precisione di uscita di 1 MHz diviso per 268.435.455, ossia circa 0,004 Hz. A 25 MHz, la frequenza d’ingresso massima per questo determinato dispositivo, l’uscita può essere controllata quasi istantaneamente a 0,1 Hz.
Le applicazioni quali gli oscillatori locali (LO) agili richiedono spesso alte frequenze, ma possono accettare una bassa risoluzione.
L’AD9914 di Analog Devices utilizza un registro di frequenza con un’ampiezza di 16 bit, ma può utilizzare frequenze d’ingresso fino a 3,5 GHz. La risoluzione delle frequenze ottenibili in questo caso è più grossolana, ma consente di saltare tra alte frequenze con la velocità della tecnologia digitale con accuratezza elevata.
La sintesi digitale diretta non è l’unica soluzione per tutte le applicazioni. Se stai progettando un dispositivo IoT che deve essere abilitato sia per 2,4 GHz che per 5 GHz, la capacità di saltare molto rapidamente tra le frequenze non è necessaria. Tuttavia, se stai progettando un dispositivo che deve utilizzare un’ampia gamma di frequenze, ad esempio una fonte di chirp o un modulatore polare, i circuiti integrati di sintesi digitale diretta semplificano l’integrazione di questi metodi di sintesi estremamente complessi nelle tue progettazioni.
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