Comprender la síntesis digital directa (DDS)

La nota técnica Generar una señal explora los inicios de cómo los generadores de señales, como los generadores de funciones y los generadores de funciones arbitrarias (AFG), emiten una señal analógica deseada y cómo algunos generadores de señales utilizan la tecnología de síntesis digital directa (DDS) para emitir señales a frecuencias precisas . Este artículo analiza los componentes y la tecnología que dan a las fuentes de señal la capacidad de lograr una precisión sub-Hertz en la generación de señales.

Los generadores de señales que usan DDS generan señales a frecuencias precisas a través de un mecanismo único de reloj y acceso a la memoria, que difiere del método tradicional de enviar cada muestreo en el orden en que se almacena la forma de onda. Los generadores de formas de onda arbitrarias (AWG) utilizan el método tradicional de generación de señales. Los AWG pueden producir formas de onda complejas definidas por el usuario, pero están limitadas en la precisión de frecuencia a la que se genera la forma de onda. Esto se debe a las limitaciones que la forma de onda debe producir punto por punto desde la memoria del AWG y el reloj de muestreo que controla el tiempo entre cada punto generado tiene un número finito de frecuencias. 

Los generadores de funciones y los AFG que usan DDS almacenan una gran cantidad de puntos para un solo ciclo de una forma de onda periódica en la memoria. La tecnología DDS le da al generador de funciones o AFG la capacidad de elegir qué muestreo sacar de la memoria. Debido a que el generador de funciones o AFG no está restringido a la hora de elegir el siguiente muestreo en la forma de onda, puede producir señales a frecuencias precisas. La Figura 1 representa gráficamente cómo un generador de funciones o AFG puede producir una onda sinusoidal de 21 MHz, que no es una división entera del reloj de muestreo de 100 MHz. El reloj de muestreo de 100 MHz todavía controla la velocidad de actualización de la salida DAC; por lo tanto, cuanto más rápido sea el reloj de muestreo, más precisa será la forma de la señal creada.

^{Figura 1: En hardware compatible con DDS, los muestreos no se eligen necesariamente en el orden en que se almacenan en la memoria. Esto permite que el reloj de muestreo de 100 MHz cree con precisión la onda sinusoidal de 21 MHz}

En el caso específico anterior, el AFG utiliza el reloj de muestreo de 100 MHz para controlar el DAC, pero la frecuencia de la señal generada se crea mediante el método en el que se eligen los muestreos desde la ubicación de la memoria de forma de onda. Las siguientes secciones discuten los componentes que implementan la lógica de control detrás de la elección del muestreo.

Descripción funcional

La implementación de DDS requiere tres bloques de construcción de hardware principales: un (a) reloj de muestreo, (b) acumulador de fase y (c) tabla de búsqueda, que es una implementación de una memoria programable de solo lectura. La Figura 2 muestra el flujo de nivel superior del bloque de hardware al bloque de hardware.

^{Figura 2: Diagrama de bloques de hardware para la arquitectura DDS}

a. Reloj de muestreo

El reloj de muestreo, o referencia, se utiliza para crear la palabra de sintonización de frecuencia, actualizar el valor del acumulador de fase e impulsar la conversión de digital a analógico. El reloj de muestreo determina cuándo sale un muestreo por el DAC, pero no determina directamente la frecuencia de la señal de salida.

b. Acumulador de fase

El acumulador de fase es una colección de componentes que permite que un generador de funciones o AFG emita a frecuencias precisas. Para crear la señal a una frecuencia precisa, el acumulador de fase utiliza tres componentes generales. Primero, el acumulador de fase usa la palabra de sintonización para especificar la frecuencia de la señal. La palabra de sintonización es una palabra digital de 24 a 48 bits que especifica cuántos muestreos saltar en la memoria de forma de onda. El segundo componente, el sumador, toma la palabra de ajuste y la suma al resto del registro de fase. Este nuevo valor digital se envía al registro de fase. El componente final del acumulador de fase, el registro de fase, toma la nueva palabra digital y la usa para especificar la dirección de memoria del siguiente punto de muestreo que se enviará a la tabla de búsqueda. El registro de fase toma los bits restantes más significativos que no se utilizan en la dirección de memoria de la tabla de búsqueda y los devuelve al sumador para garantizar la precisión de la frecuencia a lo largo del tiempo.

c. Tabla de búsqueda

La salida del registro de fase solo se ve como una rampa digital a medida que la dirección de memoria aumenta con el tiempo, que está cambiando a la velocidad especificada por la palabra de sintonización. Por lo tanto, para generar la forma de onda deseada, la salida del registro de fase apunta a la dirección de muestreo de forma de onda necesaria en la tabla de búsqueda. La tabla de búsqueda luego proporciona la palabra digital en la dirección de memoria proporcionada, que es la palabra digital de la amplitud y fase correctas para que la produzca el DAC.

La agilidad de frecuencia, o la capacidad de cambiar la frecuencia de la forma de onda muy rápidamente y de forma continua, es uno de los principales beneficios de la arquitectura DDS. Un AFG que usa DDS puede cambiar la frecuencia de la forma de onda muy rápidamente porque solo se necesita cambiar la palabra de sintonización para cambiar la frecuencia de la forma de onda.

Como se mencionó anteriormente, la tecnología DDS ofrece dos beneficios principales. Uno de los principales beneficios de la tecnología DDS es la precisión de la frecuencia de la señal generada. Esta capacidad abre la puerta a pruebas de componentes extremadamente precisas porque puede confiar en la precisión de frecuencia del generador de funciones o de la señal creada por AFG.

La capacidad de cambiar la frecuencia de la señal generada de manera extremadamente rápida y continua es el segundo beneficio principal de la tecnología DDS. Esto permite pruebas de componentes más eficientes en rangos específicos porque puede implementar el cambio de frecuencia rápidamente y también los dispositivos de prueba de esfuerzo al sobrepasar los límites de la señal que brindan al dispositivo bajo prueba.

Un ejemplo específico donde los AFG con tecnología DDS son extremadamente valiosos es la caracterización precisa del filtro. La caracterización del filtro solo es precisa si la señal proporcionada al filtro es generada con precisión por el AFG y si la señal filtrada es medida con precisión por un osciloscopio. La Figura 3 representa una configuración de prueba típica para la caracterización de filtros.

^{Figura 3: Diagrama de bloques de la aplicación de caracterización de filtros con un generador de funciones compatible con DDS, un filtro de paso bajo y un osciloscopio}

• Los generadores de señales sin tecnología DDS producen formas de onda dando salida a la forma de onda almacenada punto por punto a la frecuencia del reloj de muestreo.
• Los generadores de señales con tecnología DDS pueden producir formas de onda periódicas en muchas frecuencias con una precisión de frecuencia extrema. Esto se debe al mecanismo exclusivo de acceso a memoria y sincronización.
• La tecnología DDS se implementa con tres bloques de hardware de nivel superior: el reloj de muestreo, el acumulador de fase y la tabla de búsqueda.
• El reloj de muestreo crea la palabra de sintonización de frecuencia, actualiza el valor del acumulador de fase y controla la velocidad de salida del DAC.
• El acumulador de fase toma la palabra de sintonización de frecuencia como entrada y proporciona la dirección de memoria digital del siguiente muestreo que se emitirá en la tabla de búsqueda.
• La tabla de búsqueda almacena las formas de onda periódicas como muestreos digitales. La tabla de búsqueda toma la dirección de memoria del acumulador de fase y proporciona el muestreo de forma de onda digital en esa dirección de memoria al DAC.
• Los generadores de señales con tecnología DDS deben usarse para aplicaciones que requieren una generación de frecuencia precisa o agilidad de frecuencia.
• Las aplicaciones que requieren formas de onda extremadamente grandes, complejas y definidas por el usuario pueden ser mejor servidas por generadores de formas de onda arbitrarias en lugar de generadores de funciones arbitrarias con tecnología DDS.

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