Generator DDS

Urządzenia dostępne w handlu przeważnie dysponują znacznie większą funkcjonalnością niż jest mi potrzebna na co dzień. Nie chciałem płacić za „nadmiarowe” funkcje, więc zdecydowałem się na samodzielne zbudowanie generatora korzystając z dostępnych rozwiązań układowych.

Zasada działania generatora DDS

Dość szybko okazało się, że jedynym słusznym rozwiązaniem sprzętowym w dzisiejszych czasach będzie zastosowanie specjalizowanego układu scalonego, który do generowania przebiegów wyjściowych używa techniki bezpośredniej syntezy cyfrowej DDS (Direct Digital Synthesis). Jest to dość prosta w założeniach metoda generowania przebiegów okresowych w sposób całkowicie cyfrowy (w zasadzie bez udziału elementów dyskretnych), która do tego celu wykorzystuje pamięć przechowującą wzorzec przebiegu sinusoidalnego, generator taktujący służący do taktowania licznika adresującego kolejne próbki sygnału oraz przetwornik C/A, który przesyłany ciąg próbek zamienia na analogowy sygnał wyjściowy.

W tak nieskomplikowanym układzie generatora DDS wejściowy sygnał zegarowy o częstotliwości f_WE „napędza” w sposób bezpośredni licznik adresowy, którego wyjścia adresują z kolei pamięć próbek sygnału wyjściowego. Wartości kolejnych próbek podawane są wejście przetwornika C/A, który zamienia je na wyjściowy sygnał analogowy. Sygnał ten, po odfiltrowaniu składowych harmonicznych, których obecność wynika z procesu przetwarzania cyfrowo-analogowego, może być wykorzystany jako „normalny” sygnał analogowy. W układzie takim częstotliwość wyjściowego sygnału analogowego f_WY obliczyć możemy na podstawie zależności:

f_WY = f_WE/2ⁿ

gdzie n jest liczbą bitów licznika adresującego, czyli de facto jego rozdzielczością.

Łatwo zauważyć, że przedstawiona zależność znacznie ogranicza funkcjonalność tego typu konstrukcji, gdyż trudno jest uzyskać dokładną, żądaną częstotliwość przebiegu wyjściowego bez możliwości precyzyjnej regulacji częstotliwości źródła sygnału taktującego, co niejako niweczy sens budowania tego typu układu. Aby wyeliminować niedoskonałość takiego układu wprowadzono rozwiązanie, w którym licznik adresowy zastąpiono specjalnym modułem nazywanym akumulatorem fazy, dzięki czemu powstał generator.

Akumulator fazy, zastosowany w tym rozwiązaniu, jest pewną modyfikacją licznika adresowego, który wyposażono w mechanizm uwzględniający wartość kroku inkrementacji. Akumulator taki zlicza impulsy generatora taktującego, lecz za każdym razem, gdy wystawia na swoim wyjściu nową wartość adresu, uwzględnia specjalną wartość liczbową nazywaną słowem przestrajającym (tunning word) dodając ją do poprzednio wystawionej wartości adresu. Innymi słowy, akumulator fazy pozwala na automatyczne pomijanie adresów próbek, które nie są wielokrotnością słowa przestrajającego, co jak łatwo zauważyć, przełoży się na wykres przebiegu wyjściowego sygnału analogowego zmieniając jego częstotliwość. W takim razie, dysponując akumulatorem fazy o dużej rozdzielczości (w układach dostępnych na rynku, minimum kilkadziesiąt bitów) jak i generatorem taktującym o częstotliwości kilkudziesięciu MHz, możemy uzyskać wyjściowy przebieg analogowy, którego częstotliwość regulować będzie można z dokładnością rzędu miliherców. W tego typu układzie częstotliwość tą możemy wyznaczyć wedłu wzoru:

f_WY = M×f_WE/2^N

gdzie:

• N jest liczbą bitów rejestru akumulatora fazy, czyli de facto jego rozdzielczością, 
• M jest wartością słowa przestrajającego.

W układach tego typu maksymalna, możliwa do uzyskania częstotliwość sygnału wyjściowego równa jest połowie częstotliwości sygnału generatora taktującego, zaś minimalna (dla M=1) wynika z ilorazu częstotliwości sygnału taktującego i rozdzielczości akumulatora fazy.

Jak widać, ta niewielka modyfikacja niesie za sobą ogromne możliwości, co skrzętnie wykorzystali producenci półprzewodników oferując szereg gotowych rozwiązań układowych w postaci scalonych generatorów DDS. Bodajże największą paletę scalonych generatorów tego typu udostępnia firma Analog Devices, w której asortymencie znajdują się rozwiązania różniące się zarówno rozdzielczością akumulatora fazy, rozdzielczością samej pamięci próbek, maksymalną wartością częstotliwości sygnału taktującego jak i dostępnymi typami wyjściowych przebiegów analogowych. Dzięki takiej polityce, tego znanego producenta półprzewodników, możemy wybrać element, który w 100% spełnia wymagania docelowej aplikacji jak i uprości jej budowę. Jako, że nasze urządzenie w założeniu dysponować ma ograniczoną funkcjonalnością i charakteryzować się prostotą obsługi i implementacji, do jego budowy wybrano scalony generator DDS o symbolu AD9850. Jest to dość popularny element, który umożliwia zbudowanie generatora sygnałowego przebiegu sinusoidalnego i prostokątnego o maksymalnej częstotliwości rzędu 60 MHz, cechujący się ogromną prostotą implementacji. Ponadto, co nie jest bez znaczenia, gotowe moduły wyposażone we wspomniany układ jak i scalony generator kwarcowy o częstotliwości wyjściowej 125 MHz, bez problemu można nabyć na portalach aukcyjnych w bardzo przystępnej cenie, częstokroć kilkukrotnie niższej aniżeli cena samego układu scalonego kupowanego u dystrybutora półprzewodników, co w zasadzie trudno logicznie wytłumaczyć. Układ AD9850 charakteryzuje się następującymi, wybranymi cechami funkcjonalnymi:

• Maksymalna częstotliwość sygnału taktującego 125 MHz.
• Rozdzielczość regulacji 0,0291 Hz (@125 MHz).
• 32-bitowe słowo przestrajające.
• Wbudowany, wysokiej jakości, 10-bitowy przetwornik C/A z możliwością regulacji maksymalnej wartości prądu wyjściowego (wyposażony w wyjście prądowe).
• Wbudowany, szybki komparator dający możliwość generowania sygnału prostokątnego o regulowanym wypełnieniu.
• Możliwość regulacji fazy sygnału sinusoidalnego z krokiem 11,25°.
• Prosty, równoległy i szeregowy interfejs sterujący.
• Szeroki zakres napięcia zasilającego (3,3…5 V).
• Tryb o niskim poborze mocy Power-down.