直接数字合成与直接模拟合成:频率捷变的未来

直接数字合成与直接模拟合成:频率捷变的未来

直接数字合成与直接模拟合成:频率捷变的未来

直接数字合成 (DDS) 是一种产生模拟波形的技巧,具体方法是先通过数字方式控制固定系统时钟,然后再通过 DAC 进行输出。此举可在广泛的频率范围间实现良好的频率分辨率,并且可以在这些频率间实现快速切换。

锁相环频率控制

通过 DDS 生成时钟的流程,节选自《Analog Devices 应用说明书 AN-823》

直接数字合成:深入了解

微控制器等多数基础电路元器件需要为定时和控制用途设定单一的时钟频率。这一需求可借助发射预定频率的标准振荡器来实现。这种方法可能听起来有些新潮,但在涉及一种据信可以发射与特定能量中心共振的频率的石英时,被屡屡提及。晶体振荡器的频率取决于设备物理材料的压电特性。尽管存在时钟分频器和乘法器等电路,但仍有可能通过改变周围元器件来对频率进行微调,您通常可以将每种晶体锁定到一种频率。

某些设备,如 RF 激励器,需要用到多个频率。即使无需同时用到这些频率,但每个频率又与其他频率有所不同,对振荡器而言是不可或缺的。这些多频应用大多需要具备在频率之间快速动态切换的功能,实现该功能需要一定控制等级。事实证明,在多个不同晶体之间快速选择的一个系统达不到这种控制等级。

超越直接数字合成

直接数字合成不是产生任意波形的唯一方法。当模拟元器件的延迟和尺寸不成问题时,可以使用基于锁相环路 (PLL) 的频率合成器,并且只要使用一个数字模拟转换器 (DAC) 加上一些巧妙的编程设计就能实现低频率合成。但是,需要灵活精准数字控制的应用大多完全依赖 DDS。

就 Analog Devices 而言,Eva Murphy 和 Colm Slattery 编写一份很了不起的文件,详细地解释了直接数字合成背后的数学和逻辑,而基本原理可以通过一张图来说明:

PLL 控制回路,摘自安美森半导体 MC14046B 数据表

有关 Analog Devices 直接数字合成器元器件,请询问应用工程师 #33

DDS 采用已知的系统时钟和由数字处理器提供的数字,根据查阅表中该数字对应的位置创建正弦波。

Analog Devices 通过单个封装来执行 DDS 的所有阶段,使得低功耗 IC 家庭也能使用 DDS。在该实际应用领域,Analog Devices 占据主导地位。

AD9833 是最受欢迎的合成器之一,其功能结构图与上述图片相似。

直接模拟合成:理论与现实

Analog Devices AD9833 功能结构图

该小型器件能够输出正弦波、三角波和方波,输出频率和相位完全由软件编程。10 针自动额定集成电路通过 3 线 SPI 与微控制器或 DSP 通信,仅消耗几千瓦功率。

了解可调精度

直接数字合成 IC 的可调精度取决于频率寄存器和提供的时钟频率。寄存器越宽,则可以从时钟频率获得更多的独特片段。例如,AD9833 的总线宽度为 28。这意味着它可以存储 28 位二进制数据,或者将基准 10 中的时钟频率分成 268,435,455 路。

乘法技术和时钟分频器

如果提供的时钟在 1MHz 运行,则该器件的输出精度为 1MHz 除以 268,435,455,或约 0.004Hz。如果该特定器件的最大输入频率是 25MHz,几乎可以立即将输出控制在 0.1Hz。

像灵敏的本地振荡器 (LO) 这类应用需要较高的频率,但是能接受较低的分辨率。

Analog Devices AD9914 仅使用 16 位宽频率寄存器,但可使用高达 3.5GHz 的输入频率。

在可达到的频率下,获得更粗糙的分辨率,但是能以高频数字技术速度实现高准确度的高频跳频。

直接数字合成并非每个应用的最终解决方案。如果您正在构建能够同时在 2.4GHz 和 5GHz 上启用的 IoT 设备,则不需要超快跳频。然而,如果您正在构建需要跨越很宽频率范围的设备,例如线性调频源或极性调制器,直接数字合成 IC 可以轻松将这些高度复杂的合成方法集成至您的设计中。

热门直接数字合成器