Comprendre la synthèse numérique directe (DDS)

Le livre blanc Génération d’un signal explore le début de la manière dont les générateurs de signaux, tels que les générateurs de fonctions et les générateurs de fonctions arbitraires (AFG), génèrent un signal analogique utile et comment certains générateurs de signaux utilisent la technologie de synthèse numérique directe (DDS) pour générer des signaux à des fréquences précises. Cet article traite des composants et de la technologie permettant aux sources de signaux d’atteindre une exactitude inférieure au Hertz dans la génération de signaux.

Les générateurs de signaux qui utilisent la technologie DDS génèrent des signaux à des fréquences précises par le biais d’un accès à la mémoire unique et d’un mécanisme d’horloge, qui diffère de la méthode traditionnelle de sortie de chaque échantillon dans l’ordre dans lequel la waveform est stockée. Les générateurs de waveforms arbitraires (AWG) utilisent la méthode de génération de signaux traditionnelle. Les AWG peuvent produire des waveforms complexes définies par l’utilisateur, mais sont limités en ce qui concerne la précision de la fréquence à laquelle la waveform est générée. Cela est dû aux contraintes que la waveform doit produire point par point à partir de la mémoire de l’AWG et l’horloge d’échantillonnage contrôlant le temps entre chaque point généré présente un nombre limité de fréquences. 

Les générateurs de fonctions et les AFG qui utilisent la DDS enregistrent en mémoire une grande quantité de points pour un seul cycle d’une waveform périodique. La technologie DDS donne au générateur de fonctions ou à l’AFG la possibilité de choisir l’échantillon à extraire de la mémoire. Étant donné que le générateur de fonctions ou l’AFG n’est pas limité dans le choix de l’échantillon suivant dans la waveform, il est capable de produire des signaux à des fréquences précises. La Figure 1 représente de manière graphique la manière dont un générateur de fonctions ou un AFG peut produire un signal sinusoïdal de 21 MHz, qui n’est pas une division entière de l’horloge d’échantillonnage de 100 MHz. L’horloge d’échantillonnage de 100 MHz continue de piloter la fréquence de mise à jour de la sortie du C N/A. Par conséquent, plus l’horloge d’échantillonnage est rapide, plus la forme du signal créé est exacte.

^{Figure 1 : Dans le matériel compatible DDS, les échantillons ne sont pas nécessairement choisis dans l’ordre dans lequel ils sont stockés en mémoire. Cela permet à l’horloge d’échantillonnage de 100 MHz de créer avec exactitude le signal sinusoïdal de 21 MHz.}

Dans le cas spécifique ci-dessus, l’AFG utilise l’horloge d’échantillonnage de 100 MHz pour piloter le C N/A mais la fréquence du signal généré est créée conformément à la méthode selon laquelle les échantillons sont choisis à partir de l’emplacement de mémoire du signal. Les sections suivantes traitent des composants qui implémentent la logique de contrôle à l’origine du choix de l’échantillon.

Présentation fonctionnelle

L’implémentation de la DDS nécessite trois blocs de construction matériels : (a) horloge d’échantillonnage, (b) accumulateur de phase et (c) table de correspondance, qui est une implémentation d’une mémoire en lecture seule programmable. La Figure 2 présente le flux de niveau supérieur d’un bloc matériel à un autre.

^{Figure 2 : Diagramme de blocs matériels pour l’architecture DDS}

a. Horloge d’échantillonnage

L’horloge d’échantillonnage, ou de référence, est utilisée pour créer le mot de réglage de fréquence, mettre à jour la valeur de l’accumulateur de phase et piloter la conversion numérique vers analogique. L’horloge d’échantillonnage détermine quand un échantillon est émis en sortie par le C N/A, mais elle ne détermine pas directement la fréquence du signal de sortie.

b. Accumulateur de phase

L’accumulateur de phase est un ensemble de composants qui permet à un générateur de fonctions ou un AFG d’émettre en sortie à des fréquences précises. Pour créer le signal à une fréquence précise, l’accumulateur de phase utilise trois composants généraux. Tout d’abord, l’accumulateur de phase utilise un mot de réglage pour spécifier la fréquence du signal. Le mot de réglage est un mot numérique d’une longueur de 24 à 48 bits qui spécifie le nombre d’échantillons à ignorer dans la mémoire de waveform. Le deuxième composant, l’additionneur, prend le mot de réglage et l’additionne au reste du registre de phase. Cette nouvelle valeur numérique est envoyée au registre de phase. Le registre de phase, qui est le dernier composant de l’accumulateur de phase, accède au nouveau mot numérique et l’utilise pour spécifier l’adresse mémoire du prochain point d’échantillonnage à renvoyer dans la table de correspondance. Le registre de phase prend les bits les plus importants restants non utilisés dans l’adresse mémoire de la table de correspondance et les renvoie à l’additionneur pour assurer la précision de la fréquence au fil du temps.

c. Table de correspondance

La sortie du registre de phase ressemble à une rampe numérique uniquement lorsque l’adresse mémoire augmente au fil du temps, qui change à la vitesse spécifiée par le mot de réglage. Par conséquent, pour générer la waveform souhaitée, la sortie du registre de phase indique l’adresse d’échantillon de waveform nécessaire dans la table de correspondance. La table de correspondance transmet alors le mot numérique à l’adresse mémoire fournie, qui est le mot numérique de l’amplitude et de la phase correctes que le C N/A doit produire.

L’agilité de fréquence, ou la capacité de changer la fréquence de la waveform très rapidement et la phase en continu, est l’un des principaux avantages de l’architecture DDS. Un AFG tirant parti de la technologie DDS peut modifier la fréquence de la waveform très rapidement car seul le mot de réglage doit être changé pour modifier cette fréquence.

Comme indiqué ci-dessus, la technologie DDS offre deux avantages principaux. Un avantage majeur de la technologie DDS est l’exactitude de la fréquence du signal généré. Cette capacité ouvre la voie à des tests de composants extrêmement précis, car vous pouvez compter sur l’exactitude de la fréquence du générateur de fonctions ou du signal créé par l’AFG.

La possibilité de modifier la fréquence du signal généré extrêmement rapidement et la phase en continu constitue le deuxième avantage principal de la technologie DDS. Cela permet de tester les composants plus efficacement sur des plages spécifiques, car vous pouvez implémenter rapidement la modification de fréquence ainsi que des périphériques de test de résistance en repoussant les limites du signal qu’ils fournissent au périphérique testé.

La caractérisation exacte du filtre constitue un exemple spécifique dans lequel les AFG dotés de la technologie DDS sont extrêmement utiles. La caractérisation du filtre est exacte uniquement si le signal fourni au filtre est généré avec précision par l’AFG et si le signal filtré est mesuré avec exactitude par un oscilloscope. La Figure 3 représente une configuration de test typique pour la caractérisation du filtre.

^{Figure 3 : Diagramme de l’application de caractérisation du filtre avec un générateur de fonctions compatible DDS, un filtre passe-bas et un oscilloscope}

• Les générateurs de signaux sans technologie DDS produisent des waveforms en émettant en sortie la waveform stockée point par point à la fréquence de l’horloge d’échantillonnage.
• Les générateurs de signaux dotés de la technologie DDS peuvent produire des waveforms périodiques à de nombreuses fréquences avec une précision extrême. Ceci est dû à l’accès à la mémoire unique et au mécanisme de cadencement.
• La technologie DDS est implémentée à l’aide de trois blocs matériels de niveau supérieur : horloge d’échantillonnage, accumulateur de phase et table de correspondance.
• L’horloge d’échantillonnage crée le mot de réglage de fréquence, met à jour la valeur de l’accumulateur de phase et pilote la fréquence de sortie du C N/A.
• L’accumulateur de phase prend le mot de réglage de fréquence en entrée et fournit l’adresse mémoire numérique du prochain échantillon à renvoyer dans la table de correspondance.
• La table de correspondance stocke les waveforms périodiques sous forme d’échantillons numériques. La table de correspondance prend l’adresse mémoire de l’accumulateur de phase et transmet l’échantillon de waveform numérique à cette adresse mémoire au C N/A.
• Les générateurs de signaux dotés de la technologie DDS doivent être utilisés pour les applications qui nécessitent une génération de fréquence précise ou une agilité de fréquence.
• Les applications qui nécessitent des waveforms extrêmement volumineuses, complexes et définies par l’utilisateur peuvent être mieux servies par des générateurs de waveforms arbitraires plutôt que par des générateurs de fonctions arbitraires compatibles avec la technologie DDS.

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