Системы прямого синтеза сигналов

Важной областью применения ЦАП является синтез аналоговых сигналов необходимой формы. Здесь приходится решать, по меньшей мере, две задачи. Первая из них — это генерирование так называемых сигналов специальной формы — синусоидальной, треугольной и прямоугольной. Обычные аналоговые генераторы таких сигналов на операционных усилителях имеют низкую точность и стабильность, не могут управляться от ЭВМ.

Другая задача — синтез гармонических сигналов множественных частот с высокой точностью и стабильностью из одной или большего количества опорных частот. Для этого до недавнего времени использовалось переключение и смешивание выходных сигналов группы кварцевых генераторов, а также программируемые умножители частоты на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок-схема умножителя частоты на основе ФАПЧ представлена на Рис. 18

Рис. 18. Блок-схема умножителя частоты на основе ФАПЧ

Опорное напряжение с фиксированной частотой/с поступает на один вход фазового детектора (ФД), в качестве которого может использоваться логический элемент «Исключающее ИЛИ». Другой вход ФД управляется от программируемого счетчика-делителя на Л/, на вход которого в свою очередь поступает сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН). Среднее значение напряжения на выходе ФД определяется сдвигом фаз между сигналами на его входах. Частота выходного сигнала ГУН пропорциональна этому напряжению. Таким образом, в схеме имеет место отрицательная обратная связь, которая обеспечивает равенство

(8-30)

откуда следует

f_OUT = / с 'М .

Из-за наличия обратной связи при проектировании ФАПЧ приходится принимать компромиссные решения, связанные с фазовым шумом, быстродействием, разрешающей способностью по частоте и т. д. В связи с широким распространением цифровых методов в контрольно- измерительной аппаратуре и системах связи получил развитие так называемый прямой цифровой синтез (ПЦС) сигналов. Системы прямого цифрового синтеза обеспечивают высокую точность задания частоты и начальной фазы сигналов, а также высокую верность воспроизведения их формы. Более того, эти системы позволяют генерировать сигналы большого многообразия форм, в том числе и форм, задаваемых пользователем. В принципе системы прямого цифрового синтеза просты. Теория и основные способы построения таких систем известны уже около 30 лет. Правда, только недавно появились ЦАП и специализированные аналого-цифровые ИМС, подходящие для синтеза сигналов в широкой полосе частот. Упрощенная блок-схема генератора с ПЦС приведена на Рис. 19.

Рис. 8.39. Блок-схема генератора с ПЦС

Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Необходимое приращение фазы Дф в виде цифрового кода загружается последовательно или побайтно во входные регистры. Память играет роль таблицы функций. Усеченный снизу до т бит (где т — разрядность адресной шины памяти), код текущей фазы поступает на ее адресные входы, а с выхода данных на вход ЦА-преобразователя поступает TV-разряд- ный код, соответствующий текущему значению заданной функции. ЦАП в свою очередь формирует аналоговый сигнал. Усечение выходного слова генератора фазового угла не влияет на разрешающую способность системы по частоте, а только сокращает число выборок (ступенек) в периоде воспроизводимой кривой. Выходной регистр содержит текущую фазу выходного сигнала в виде доли периода. Увеличение разрядности регистра и сумматора повышает только разрешающую способность этой доли. Частота выходного сигнала равна произведению тактовой частоты / с на приращение фазы на каждом такте. При использовании я-разрядного сумматора частота выходного сигнала будет равна [8.1]

(8.31)

Если, например, генератор фазового угла имеет разрядность 32, то при Аф = 1 LSB потребуется 232, т. е. более 4 млрд тактов для возврата генератора в первоначальное состояние.

Дискретность установки частоты (разрешение по частоте) А/оит зависит от величины относительного приращения фазы при изменении этого приращения на 1 бит. Ее можно вычислить по формуле__

(8.32)

_На Рис. 8.40 приведен график зависимости й/оит от частоты /оит Для системы ПЦС с 40-разрядным генератором фазы п ри /с = 80 МГц.

Рис. 8.40. График зависимости дискретности установки частоты от частоты выходного сигнала генератора с ПЦС

Спектральная чистота выходного аналогового сигнала, прежде всего, определяется свойствами ЦАП, а фазовый шум — фазовым шумом сигнала генератора опорной частоты/с . Система прямого цифрового синтеза имеет по сравнению с умножителем частоты на основе ФАПЧ ряд особенностей. Поскольку ПЦС-система — это в определенном смысле система выборки данных, здесь приходится рассматривать все проблемы, связанные с дискретизацией: шум квантования, наложение спектров, фильтрация и т. д. Например, комбинационные составляющие, обусловленные высшими гармониками выходного сигнала ЦАП, попадают в полосу Найквиста (0... /с /2 ) и практически не могут быть отфильтрованы, в то время как в ФАПЧ-системах комбинационные составляющие отсутствуют, а высшие гармоники сигнала легко фильтруются. Зато ПЦС может обеспечить разрешение по частоте, недоступное системам с ФАПЧ. На Рис. 8.41 показан выходной спектр системы ПЦС с 12-битным ЦАП и памятью на 217 слов при воспроизведении синусоидального сигнала частотой 39.1 МГц при тактовой частоте 300 МГц._

Рис. 8.41. Спектр выходного сигнала системы прямого цифрового синтеза

Системы прямого цифрового синтеза чрезвычайно гибки. Частота выходного сигнала может быть изменена практически мгновенно без разрыва фазы простым изменением содержимого входных регистров. Для систем прямого цифрового синтеза разработаны ЦАП повышенной разрядности и быстродействия,