4. Цифровые синтезаторы

Современные микросхемы широко используют прямой цифровой синтез DDS — Direct Digital Synthesis. Это метод формирования аналогового сигнала (обычно синусоидального) путём генерации сигналов в цифровой форме с последующим цифро-

аналоговым преобразованием. Такой способ имеет следующие преимущества: [2,3]

1) возможность быстрого переключения частот без разрыва фазы;

2) точное частотное разрешение, мелкий шаг сетки частот;

3) широкий диапазон частот;

4) возможность формирования сложных сигналов.

При современных технологиях цифровые синтезаторы очень компактны и потребляют сравнительно мало энергии. Быстро падает цена таких микросхем. Сигнал с заданной частотой формируется путём преобразования в тактовые моменты времени кода линейно нарастающей фазы в код значений синусоидального сигнала с последующим

цифроаналоговым преобразованием и низкочастотной фильтрацией.

Основное уравнение для цифрового синтезатора:

Fвых = kft / 2ⁿ, (25)

где Fвых — выходная частота,

k — код (бинарное настроечное слово),

ft — внутренняя тактовая (системная) частота,

n — ёмкость фазового накопителя (аккумулятора).

Частота на выходе цифрового синтезатора зависит от двух переменных — тактовой частоты ft и бинарного числа k, программируемого в частотный регистр. Это — настроечное слово FTW (frequency tuning word) Минимальная частота выходного

сигнала получается при k = 1, максимальная — при k = 0,5·2ⁿ = 2^{n – 1}, т.е. максимальная частота выходного сигнала равна половине частоты тактовых импульсов (теор. Котельникова).

Настроечное слово (код частоты) загружается в частотный

регистр последовательно или побайтно. Фактически это код дискрета фазы при заданном значении тактовой частоты:

Δφ = 2π/N = 2πFвых/ft, (26)

где N — число дискретов фазы.

Вычисление выборок гармонического сигнала сводится к преобразованию выборок пилообразной функции с выхода цифрового накопителя фазы (фазового аккумулятора) в выборки синусоидального колебания. Цифровой накопитель (аккумулятор) состоит из сумматора и регистра данных. С приходом каждого тактового импульса в сумматоре суммируются значения чисел, записанных в регистре данных и частотном регистре, полученная сумма переписывается вновь в регистр данных. Таким образом, в

накопителе формируется код текущей фазы мгновенного значения выходного колебания. Как только значение текущей фазы в накопителе превысит 2π, произойдёт переполнение, в регистр данных запишется разность между последним значением текущей фазы и 2π и процесс накопления фазы повторится.

При формировании сигнала с фиксированной частотой выход фазового аккумулятора изменяется линейно, при этом соответствующий аналоговый сигнал — пилообразный. Формирование отсчётов синусоидального сигнала обеспечивается соответствующей кодовой таблицей, хранящейся в ПЗУ. Используя сим-

метрию синусоидальной волны, можно реализовать логику для полной синусоиды лишь от четверти цикла данных от фазового аккумулятора. Остальные значения фазоамплитудная таблица генерирует обратным чтением таблицы данных.

Современные синтезаторы DDS обычно изготавливают по субмикронной технологии на базе КMOП-логики с напряжением питания не более 3 В и миниатюрных корпусов. Цены на них постоянно снижаются. Все это делает синтезаторы DDS очень перспективными. Однако дискретизация и цифроаналоговое преобразование, которым подвергается сигнал в синтезаторах DDS, накладывают и некоторые ограничения.

К примеру:

1) максимальная выходная частота не может быть выше половины тактовой (на практике она еще меньше), но благодаря внедрению новых технологий тактовая частота постоянно возрастает;

2) отдельные побочные составляющие в спектре сигнала на выходе синтезатора DDS могут быть значительно больше, чем в синтезаторах, построенных на основе системы ФАПЧ, так как спектральная чистота выходного сигнала синтезатора DDS зависит от характеристик ЦАП;

3) потребляемая синтезатором DDS мощность практически прямо пропорциональна тактовой частоте и может достигать единиц ватт для высокочастотных синтезаторов, поэтому при высоких тактовых частотах такие синтезаторы могут оказаться непригодными для устройств с батарейным питанием.