多くのシステムでは クロック 入力が必要であり、一部の RF アプリケーションでは、迅速かつ高精度で利用できる必要がある複数の固有周波数が必要になります。直接アナログ合成 (DAS) 方式は数十年にわたって使用されてきましたが、 直接デジタル合成 (DDS) 技術は1970年代から人気が高まっています。
位相ロックループの基礎
すべての閉ループアナログ制御は、 モーター を制御する場合でも、真空管 発振器を制御する場合でも、同じ理論に基づいて動作します。プラント (制御対象)、望ましい出力条件を指示する入力、エラー (現在の出力がどの程度ずれているか) を判断する測定または蓄積ブロック、およびプラントの動作を実際に変更して望ましい出力を得ることができる制御ブロックがあります。制御ブロックは、制御要素の調整がプラントの出力の調整と明確に結びついているため、基本図ではプラントと組み合わされることがよくあります。
位相ロック ループ制御は、プラント全体の標準制御ループのように動作します。最初の PLL回路 は真空管発振器を制御していましたが、最近のチップはオンボード 水晶 制御用に設計されています。
必要な周波数発生器のタイプは電圧制御発振器 (VCO) であり、多くのICはこれをデバイスに統合しており、動作には一般的な受動部品のみが必要です。次のようなデバイス MC14046B から オン・セミコンダクター 位相比較器、VCO、ソースフォロワー、保護回路など ダイオード、そして フィルタリング 標準発振器の出力のように使用できるバッファ出力を生成する回路。
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VCOへの入力は、設計者が選択した外部の 抵抗器 と コンデンサ によって定義されます。したがって、 ポテンショメータ のような可変抵抗器を使用すると、ユーザーは出力周波数を制御できます。
PLL制御ループ ( ON SemiconductorのMC14046Bデータシートより)
VCOとは何ですか?
VCOはまさにその名の通り、入力電圧に基づいて周波数を変更できる発振器です。これらは多くの場合水晶をベースにしており、温度による周波数シフトや高ジッターなどの問題が発生する可能性があります。制御ループ自体はアナログ コンポーネントの速度に左右されるため、設計によっては速度が十分でない場合があります。合成可能な周波数の範囲と粒度は、現代のシステム、特に 通信 分野のシステムには不十分な場合があります。
PLL理論を用いた周波数合成
PLL周波数制御に基づく一般的な合成アーキテクチャが2つあります。PLLは基本的に、2つの周波数を乗算して、必ずしも元の周波数の直接の高調波ではない新しい周波数を取得します。つまり、100個の水晶を使用して100個の非高調波周波数を取得する代わりに、乗算を使用するだけで20個のクロック ソースを使用できることになります。真の動的周波数敏捷性を得るには、実際には20個以上の位相比較器ICが必要になりますが、100個の水晶を使用することでBOMコストとボード スペースの両方が削減されます。
この乗算のみの手法は、乗算フィルタまたはミックスフィルタ アーキテクチャと呼ばれます。より複雑なバージョンは、ミックス/乗算-固定-除算と呼ばれ、乗算技術と クロック除算器の両方を使用します。
クロックは、 標準ロジックを使用して半分、4分の1などに分割することができ、分割レベルを動的に選択できるICファミリがいくつかあります。これらのICは通常、出力信号の即時の有用性を最大限に高めるために位相マッチングとバッファリングも提供します。
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アナログ合成技術は理論上はうまく機能しますが、実装上の課題があり、業界はより優れたソリューションの研究を継続しています。ミックス フィルター設計は、スイッチング オシレーター バンクと比較すると、位相メモリ (シンセサイザーが出力まで元の周波数の位相を維持できる特性) を維持しながら、使用するオシレーターの数が少ないため、優れた代替手段となります。これは、ミックス-フィルタ-分割アーキテクチャを使用すると、しばしば中断されます。すべてのアプリケーションで正確な位相整合が必要なわけではありませんが、生成された波が ø=0に戻ったときに生じる周波数の「ヒック」は、高精度のスキャナー システムなどには理想的とは言えません。
ダイレクトデジタルシンセシス - DDSの機能とパフォーマンス
DDSは信号合成のピザです。それぞれのコンポーネントや成分は長い間存在し、さまざまな用途で独立して使用されてきましたが、さまざまな部分を組み合わせることで、独自の生命を持ち、ほぼすべての状況に適した製品が生まれました。
ダイレクト デジタル シンセサイザーは、アナログ合成で使用されるVCXOと比較して、 数値制御発振器 (NCO) と呼ばれることもありますが、デバイス自体のどの部分も実際には発振しないため、「発振器」という用語は技術的に誤りです。むしろ、デジタル コンポーネントは、 デジタル - アナログ コンバーター (DAC) を介して実行できるサンプル波形を作成し、真のアナログ正弦波に近似します。
DDS ICには、「チューニング ワード」と呼ばれる プロセッサ からの入力が必要です。このチューニング ワードのビット幅によって、DDSが作成できる最大ステップが定義されます。この入力と単一の既知のクロック周波数は位相アキュムレータに入ります。位相アキュムレータは、アナログ制御システムのエラー ブロックとして機能し、離散的な数学的積分を実行するデバイスです。位相アキュムレータの出力は、正弦マッピング ルックアップ テーブルに入力されるバイナリ (または、一部の高度なアーキテクチャでは10進数) ワードです。LUTは基本的に、 メモリに保存されるチャートであり、このステージの出力はデジタルで構築された正弦波の近似値です。サンプリングされた波形は、DACと外部フィルタリング回路に送られ、滑らかなアナログ正弦波が生成されます。
完全にデジタル化されたコンポーネントは、アキュムレータやメモリによって課される制限ではなく、入力クロックの精度によって制限されることが多いアナログ合成ソリューションと比較して、驚くほど高速かつ正確に動作できます。ただし、DACは信号劣化や信号速度のボトルネックなどの問題を引き起こしますが、有用な波形を生成するためには必要です。したがって、DACは通常、完全なDDS内のパフォーマンスを制限するコンポーネントです。Analog Devices などのメーカーは、複数の高バス幅DACなどの技術を使用して、高いパフォーマンスを実現しています。
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ダイレクトデジタル合成の要点
全体的に、DDSはより細かい粒度でより広い周波数範囲にわたってはるかに高いパフォーマンスを提供できますが、設計に効果的に統合するには合成に関するより高度な理解を必要とする、より高価なソリューションになることがよくあります。複数の周波数を必要とする低速システムでは、単純なPLLベースのアナログ合成技術でもまだ成功する可能性がありますが、DDSテクノロジは、高周波数、高速、高精度のシステムが生成されたクロックを取得する方法に完全な革命をもたらしました。
もっと詳しく知りたいですか?簡潔な概要をご覧ください: ダイレクトデジタル合成とは何ですか?