Grundlegendes zur direkten digitalen Synthese (DDS)

Im Whitepaper Erzeugen eines Signals wird erläutert, wie Signalgeneratoren wie zum Beispiel Funktionsgeneratoren und beliebige Funktionsgeneratoren (AFGs) ein gewünschtes analoges Signal ausgeben und wie einige Signalgeneratoren mithilfe der DDS-Technologie (direkte digitale Synthese) Signale mit präzisen Frequenzen ausgeben. In diesem Artikel werden die Komponenten und Technologien erläutert, mit denen Signalquellen eine Genauigkeit im Sub-Hertz-Bereich bei der Signalerzeugung erreichen können.

Signalgeneratoren, die DDS verwenden, erzeugen Signale mit präzisen Frequenzen durch einen einzigartigen Speicherzugriffs- und Taktmechanismus, der sich von der herkömmlichen Methode unterscheidet, bei der jedes Sample in der Reihenfolge ausgegeben wird, in der der Signalverlauf gespeichert ist. Generatoren für beliebige Schwingungen (AWGs) verwenden das traditionelle Verfahren zur Signalerzeugung. AWGs können komplexe benutzerdefinierte Signalverläufe erzeugen, sind jedoch hinsichtlich der Frequenzgenauigkeit, mit der der Signalverlauf erzeugt wird, eingeschränkt. Dies liegt an den folgenden beiden Beschränkungen: Der Signalverlauf muss Punkt für Punkt aus dem Speicher des AWG erzeugt werden und der Sample-Takt, der die Zeit zwischen den einzelnen erzeugten Punkten steuert, hat nur eine begrenzte Anzahl von Frequenzen. 

Funktionsgeneratoren und AFGs, die DDS verwenden, speichern eine große Anzahl von Punkten für einen einzelnen Zyklus eines periodischen Signalverlaufs im Speicher. Mit der DDS-Technologie kann der Funktionsgenerator oder AFG auswählen, welches Sample aus dem Speicher ausgegeben werden soll. Da der Funktionsgenerator oder AFG nicht auf die Auswahl des nächsten Samples im Signalverlauf beschränkt ist, kann er Signale mit präzisen Frequenzen erzeugen. Abbildung 1 zeigt grafisch, wie ein Funktionsgenerator oder AFG eine 21-MHz-Sinusschwingung erzeugen kann, die keine ganzzahlige Division des 100-MHz-Sample-Takts ist. Der Sample-Takt von 100 MHz steuert weiterhin die Aktualisierungsrate des D/A-Wandler-Ausgangs. Daher gilt: Je schneller der Sample-Takt, desto genauer ist die Form des erzeugten Signals.

^{Abbildung 1: Bei DDS-fähiger Hardware werden die Samples nicht unbedingt in der Reihenfolge ausgewählt, in der sie im Speicher abgelegt sind. Dadurch kann der 100-MHz-Sample-Takt die 21-MHz-Sinusschwingung genau erzeugen}

Im obigen Fall verwendet der AFG den 100-MHz-Sample-Takt zur Ansteuerung des D/A-Wandlers. Die Frequenz des erzeugten Signals wird jedoch durch die Methode bestimmt, bei der die Samples aus dem Speicherort des Signalverlaufs ausgewählt werden. In den nächsten Abschnitten werden die Komponenten erläutert, die die Steuerungslogik der Sample-Auswahl implementieren.

Funktionsübersicht

Die DDS-Implementierung erfordert drei Haupt-Hardwarebausteine: (a) Sample-Takt, (b) Phasenakkumulator und (c) Zuordnungstabelle, die eine Implementierung eines programmierbaren Festwertspeichers ist. Abbildung 2 zeigt den übergeordneten Ablauf von Hardwareblock zu Hardwareblock.

^{Abbildung 2: Hardwareblockdiagramm für die DDS-Architektur}

a. Sample-Takt

Der Sample- oder Referenztakt wird verwendet, um das Frequenzoptimierungswort zu erstellen, den Phasenakkumulatorwert zu aktualisieren und die Digital-Analog-Wandlung zu steuern. Der Sample-Takt bestimmt, wann ein Sample vom D/A-Wandler ausgegeben wird. Er bestimmt jedoch nicht direkt die Frequenz des Ausgangssignals.

b. Phasenakkumulator

Der Phasenakkumulator ist eine Sammlung von Komponenten, mit denen die Ausgabe eines Funktionsgenerators oder AFGs bei genauen Frequenzen erfolgen kann. Um das Signal mit einer genauen Frequenz zu erzeugen, verwendet der Phasenakkumulator drei allgemeine Komponenten. Zunächst gibt der Phasenakkumulator mit Hilfe des Optimierungsworts die Frequenz des Signals an. Das Optimierungswort ist ein 24- bis 48-Bit-Digitalwort, das angibt, wie viele Samples im Signalverlaufsspeicher übersprungen werden sollen. Die zweite Komponente, der Addierer, nimmt das Optimierungswort und summiert es zum Rest des Phasenregisters. Dieser neue Digitalwert wird an das Phasenregister ausgegeben. Die letzte Komponente des Phasenakkumulators, das Phasenregister, verwendet das neue digitale Wort und gibt damit die Speicheradresse des nächsten auszugebenden Sample-Punkts in der Zuordnungstabelle an. Das Phasenregister nimmt die verbleibenden höchstwertigen Bits, die in der Speicheradresse der Zuordnungstabelle nicht verwendet werden, und gibt sie an den Addierer zurück, um die Frequenzgenauigkeit im Laufe der Zeit zu gewährleisten.

c. Zuordnungstabelle

Der Ausgang des Phasenregisters sieht nur wie eine digitale Rampe aus, wenn sich die Speicheradresse im Laufe der Zeit mit der durch das Optimierungswort angegebenen Geschwindigkeit ändert. Um den gewünschten Signalverlauf auszugeben, zeigt daher der Ausgang des Phasenregisters auf die gewünschte Signalverlaufs-Sample-Adresse in der Zuordnungstabelle. Die Zuordnungstabelle liefert dann das digitale Wort an der angegebenen Speicheradresse. Dies ist das digitale Wort mit der korrekten Amplitude und Phase, das der D/A-Wandler erzeugen kann.

Die Agilität der Frequenz, also die Möglichkeit, die Frequenz des Signalverlaufs sehr schnell und kontinuierlich zu ändern, ist einer der Hauptvorteile der DDS-Architektur. Ein AFG, der DDS verwendet, kann die Frequenz des Signalverlaufs sehr schnell ändern, da nur das Optimierungswort geändert werden muss, um die Frequenz des Signalverlaufs zu ändern.

Wie oben erläutert, bietet die DDS-Technologie zwei Hauptvorteile. Ein großer Vorteil der DDS-Technologie ist die Frequenzgenauigkeit des erzeugten Signals. Diese Fähigkeit ist die ideale Voraussetzung für extrem genaue Komponententests, da Sie sich auf die Frequenzgenauigkeit des Funktionsgenerators oder des vom AFG erzeugten Signals verlassen können.

Die Eigenschaft, die Frequenz des erzeugten Signals extrem schnell und kontinuierlich zu ändern, ist der zweite Hauptvorteil der DDS-Technologie. Dies ermöglicht effizientere Komponententests über bestimmte Bereiche, da Sie die Frequenzänderung schnell implementieren und Geräte belasten können, indem Sie die Grenzen der Signalabgabe an das zu testende Gerät verschieben.

AFGs mit DDS-Technologie sind beispielsweise bei der genauen Charakterisierung von Filtern äußerst wertvoll. Die Charakterisierung des Filters ist nur dann genau, wenn das dem Filter zugeführte Signal vom AFG präzise erzeugt und mit einem Oszilloskop genau gemessen wird. Abbildung 3 zeigt einen typischen Testaufbau zur Filtercharakterisierung.

^{Abbildung 3: Blockschaltbild der Filtercharakterisierung mit einem DDS-fähigen Funktionsgenerator, einem Tiefpassfilter und einem Oszilloskop}

• Signalgeneratoren ohne DDS-Technologie erzeugen Signalverläufe, indem sie den gespeicherten Signalverlauf Punkt für Punkt mit der Frequenz des Sample-Takts ausgeben.
• Signalgeneratoren mit DDS-Technologie können mit extremer Frequenzgenauigkeit periodische Signalverläufe bei vielen Frequenzen erzeugen. Dies liegt an dem einzigartigen Speicherzugriffs- und Taktmechanismus.
• Die DDS-Technologie wird mit drei übergeordneten Hardwareblöcken implementiert: dem Sample-Takt, dem Phasenakkumulator und der Zuordnungstabelle.
• Der Sample-Takt erzeugt das Frequenzoptimierungswort, aktualisiert den Wert des Phasenakkumulators und steuert die Ausgangsfrequenz des D/A-Wandlers.
• Der Phasenakkumulator nimmt das Frequenzoptimierungswort als Eingabe und stellt die digitale Speicheradresse des nächsten auszugebenden Samples in der Zuordnungstabelle bereit.
• In der Zuordnungstabelle werden die periodischen Signalverläufe als digitale Samples gespeichert. Die Zuordnungstabelle nimmt die Speicheradresse vom Phasenakkumulator und liefert das digitale Signalverlaufs-Sample an dieser Speicheradresse an den D/A-Wandler.
• Signalgeneratoren mit DDS-Technologie sollten für Anwendungen verwendet werden, die eine präzise Frequenzerzeugung oder Frequenzagilität erfordern.
• Für Anwendungen, die extrem große, komplexe und benutzerdefinierte Signalverläufe erfordern, eignen sich am besten Generatoren für beliebige Schwingungen anstelle von beliebigen Funktionsgeneratoren mit DDS-Technologie.

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