ЦАП прямого цифрового синтеза
ЦАП прямого цифрового синтеза
ЦАП часто используются для синтеза сигналов специальной формы – синусоидальной, пилообразной, прямоугольной. Кроме этого, в коммуникационных схемах необходимо синтезировать сигналы множества частот с высокой стабильностью и точностью на одном или большем количестве опорных частот. Ранее для этого применялось переключение и смешивание частотных сигналов от группы кварцевых генераторов. Другие методы предусматривали использование цепей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
В связи с широким распространением цифровых методов в настоящее время получил метод прямого цифрового синтеза (ПЦС). Метод ПЦС можно рассмотреть на примере системы прямого цифрового синтеза.
Функциональная схема системы прямого цифрового синтеза
В этой упрощенной схеме стабильный генератор тактового сигнала управляет с помощью адресного счетчика программируемым ПЗУ, который хранит один или более целое число циклов синусоидального сигнала (или другого сигнала произвольной формы). Для уменьшения необходимого объема ППЗУ зачастую в него записывается информация только о четверти периода синусоидального сигнала. По мере того, как адресный счетчик проходит через каждую ячейку памяти, соответствующая цифровая амплитуда сигнала из каждой ячейки подается на ЦАП, который, в свою очередь, воспроизводит аналоговый выходной сигнал.
В связи с дискретной природой ПЦС методу присущи погрешности, характерные для АЦП: шум квантования, наложение спектра, для такого ЦАП на выходе необходим фильтр низких частот. Основной проблемой этой простой ПЦС-системы состоит в том, что выходная частота может быть изменена только путем изменения частоты задающего генератора или посредством перепрограммирования ППЗУ, что делает систему недостаточно гибкой.
На практике ПЦС-системы осуществляют эту функцию более гибким и эффективным способом, используя цифровую схему, называемую генератором с цифровым управлением. Функциональная схема такой системы представлена на рис. 28.16.
Содержимое сумматора фазы обновляется однократно за каждый тактовый цикл. Каждый раз при обновлении сумматора фазы цифровое число М, сохраненное в регистре приращения фазы, добавляется к числу в сумматоре фазы. Если сумматор является 32-разрядным, для полного цикла обновления сумматора фазы требуется 232 тактовых циклов, после чего цикл повторяется.
Усеченное значение выходного сигнала сумматора фазы служит адресом таблицы задания синуса (или косинуса). Таблица поиска содержит информацию, соответствующую амплитуде для одного полного цикла синусоидального сигнала.
Функциональная схема системы прямого цифрового синтеза
В этой упрощенной схеме стабильный генератор тактового сигнала управляет с помощью адресного счетчика программируемым ПЗУ, который хранит один или более целое число циклов синусоидального сигнала (или другого сигнала произвольной формы). Для уменьшения необходимого объема ППЗУ зачастую в него записывается информация только о четверти периода синусоидального сигнала. По мере того, как адресный счетчик проходит через каждую ячейку памяти, соответствующая цифровая амплитуда сигнала из каждой ячейки подается на ЦАП, который, в свою очередь, воспроизводит аналоговый выходной сигнал.
В связи с дискретной природой ПЦС методу присущи погрешности, характерные для АЦП: шум квантования, наложение спектра, для такого ЦАП на выходе необходим фильтр низких частот. Основной проблемой этой простой ПЦС-системы состоит в том, что выходная частота может быть изменена только путем изменения частоты задающего генератора или посредством перепрограммирования ППЗУ, что делает систему недостаточно гибкой.
На практике ПЦС-системы осуществляют эту функцию более гибким и эффективным способом, используя цифровую схему, называемую генератором с цифровым управлением.
Содержимое сумматора фазы обновляется однократно за каждый тактовый цикл. Каждый раз при обновлении сумматора фазы цифровое число М, сохраненное в регистре приращения фазы, добавляется к числу в сумматоре фазы. Если сумматор является 32-разрядным, для полного цикла обновления сумматора фазы требуется 232 тактовых циклов, после чего цикл повторяется.
Усеченное значение выходного сигнала сумматора фазы служит адресом таблицы задания синуса (или косинуса). Таблица поиска содержит информацию, соответствующую амплитуде для одного полного цикла синусоидального сигнала.
Для n-разрядного сумматора фазы (в большинстве ПЦС-систем значение n лежит в диапазоне от 24 до 32) существует 2n значений фазы. Число М в регистре приращения фазы представляет собой величину, на которую текущее значение фазы увеличивается в каждом тактовом цикле. Если fс – частота синхронизации, то выходная частота синусоидального сигнала равна
f0 = М fс / 2n
Разрешающая способность системы по частоте равна fс / 2n. При n=32 разрешающая способность больше, чем один к четырем миллиардам. В реальной ПЦС-системе не все разряды от сумматора фазы используются для выбора значений из таблицы, оставляются только первые 12-16 старших разрядов, тогда как младшие разряды игнорируются. Это уменьшает размер таблицы и не ухудшает разрешающую способность по частоте.
Описанная ПЦС-система представляет собой гибкое решение с высокой разрешающей способностью. Частота может быть мгновенно изменена без искажения фазы простым изменением содержимого М-регистра.