完全な ダイレクト デジタル合成 (DDS) は、固定システム クロックをデジタル的に操作し、その出力をDACに通すことでアナログ波形を生成する手法です。これにより、広範囲の周波数にわたって細かい周波数分解能が可能になり、それらの周波数間を素早く切り替えることができます。
DDSからクロックを生成するプロセス (Analog Devicesアプリケーション ノートAN-823より抜粋)
ダイレクトデジタルシンセシスの仕組み：さらに深く掘り下げる
マイクロコントローラ などの最も基本的な回路コンポーネントは、 タイミング と制御の目的で単一のクロック周波数を必要とします。これは、1つの所定の周波数を発する標準の 発振器を使用して実現できます。これは少しニューエイジっぽく聞こえるかもしれませんが、特定のチャクラと共鳴すると信じられている周波数を発する美しい水晶については、まったく異なる会話の中で話題になります。水晶発振器の周波数は、デバイス内の物理的材料の圧電特性に依存します。 クロック分周器 や乗算器などのICが存在し、周囲のコンポーネントを変更することで周波数をわずかに調整することは可能ですが、通常は水晶ごとに1つの周波数に固定されます。
RF励起器などの一部のデバイスでは、複数の周波数が必要です。これらの周波数が同時に必要でない場合でも、他の周波数の正確な倍数ではない各周波数には、独自の発振器が必要です。これらのマルチ周波数アプリケーションのほとんどでは、周波数間を迅速かつ動的に切り替える機能も必要であり、複数の異なる水晶を迅速に選択する必要があるシステムでは不可能なレベルの制御が求められます。
ダイレクトデジタル合成を超えて: 位相ロックループ
直接デジタル合成は、任意の波形を生成する唯一の方法ではありません。 位相ロック ループ (PLL) ベースの周波数シンセサイザーは、アナログ コンポーネントの遅延とサイズが問題にならない場合に適しており、 デジタル - アナログ コンバーター (DAC) と巧妙なプログラミングだけで低周波合成を実現できます。ただし、デジタル制御の俊敏性と精度を必要とするアプリケーションでは、ほぼ独占的にDDSに依存しています。
Analog Devices には、Eva MurphyとColm Slatteryによる素晴らしいドキュメントがあり、直接デジタル合成に関する数学とロジックがさらに詳しく説明されていますが、基本原理は図で説明できます。
アナログ・デバイセズのアプリケーション・エンジニアに聞く#33のダイレクト・デジタル・シンセサイザのコンポーネント
DDSは、既知のシステム クロックとデジタル プロセッサ によって提供される数値を使用して、その数値が対応するルックアップ テーブル内の位置に基づいて正弦波を作成します。
アナログ・デバイセズは、DDSのすべての段階を1つのパッケージで実行する低電力ICファミリにより、DDSの実用的な実装に関する議論を主導しています。
最も人気のあるシンセサイザーの1つである AD9833 の機能ブロック図は、上記の画像とよく似ています。
アナログ・デバイセズのAD9833の機能ブロック図
この小型デバイスは、正弦波、三角波、方形波を出力でき、出力周波数と位相は完全にソフトウェアでプログラム可能です。10ピンの車載用定格ICは、3線式SPIを介してマイクロコントローラまたは DSP と通信し、消費電力はわずか数ミリワットです。
直接デジタル合成の調整可能な精度を理解する
直接デジタル合成ICの調整可能な精度は、周波数レジスタと供給されるクロック周波数に依存します。レジスタの幅が広いほど、クロック周波数から作成できるスライスの固有性は高まります。たとえば、AD9833のバス幅は28です。つまり、28ビットのバイナリ データを格納したり、クロック周波数を10進数で268,435,455通りに分割したりできます。
供給されるクロックが1MHzで動作している場合、デバイスは1MHzを268,435,455で割った値、つまり約0.004Hzの出力精度を実現できます。この特定のデバイスの最大入力周波数である25MHzでは、出力をほぼ瞬時に0.1Hzに制御できます。
アジャイル局部発振器 (LO) などのアプリケーションでは、より高い周波数が必要になることが多いですが、より低い解像度でも許容されます。
Analog Devicesの AD9914 は16ビット幅の周波数レジスタのみを使用しますが、最大3.5GHzの入力周波数を使用できます。これにより、達成可能な周波数の分解能は粗くなりますが、デジタル技術の速度で、高い周波数にわたって高精度の周波数ホッピングが可能になります。
ダイレクト デジタル合成は、すべてのアプリケーションに最適なソリューションではありません。2.4GHzと5GHzの両方に対応したIoTデバイスを構築する場合、超高速周波数ホッピングは必要ありません。ただし、チャープ ソースや極性変調器など、広範囲の周波数を飛び回らなければならないものを構築する場合、ダイレクト デジタル合成ICを使用すると、この非常に複雑な合成方法を設計に簡単に統合できます。
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時間の経過に伴う周波数生成を示す このインフォグラフィック で、直接デジタル合成を実現した方法をご覧ください。