Особенности петлевых и DDS синтезаторов.

Мне пишут: “Сергей, здравствуйте! У меня пара вопросов по поводу Вашего синтезатора: Возможно ли сделать шаг перестройки частоты ещё меньше, например 1 Герц, или 0.1 Герца? И возможно ли показания частоты на индикаторе изменить ни на какое-то значение, а именно - уменьшить или увеличить в 10 или 100 раз, т.е. "сдвинуть" точку влево или вправо?”

На эти, казалось бы, простые вопросы, как всегда даю “сложный” ответ…

Чем ВПРИНЦИПЕ по свойствам отличаются “чистые” DDS синтезаторы и синтезаторы с петлей ФАПЧ (PLL)? Дело в том, что шаг перестройки в PLL синтезаторе зависит от частоты сравнения, поступающей с делителя опорной кварцованой частоты на фазовый детектор (ФД). С него, выходит ШИМ-сигнал ошибки, который после ИНТЕГРАЦИИ (“сглаживания”, выделения постоянной составляющей…) на RC-цепочке поступает на ГУН. RC-цепочка НИКОГДА не в состоянии полностью отфильтровать переменную составляющую ШИМ-сигнала. Она все равно присутствует в напряжении, которым управляется ГУН и ПАРАЗИТНО промодулирует его по фазе. Это означает, что в выходном спектре такого синтезатора НЕИЗБЕЖНО появятся спектральные составляющие с частотой сравнения. Они располагаются по обе стороны от “палки” основного сигнала и четко наблюдаются на экране анализатора. Уменьшить их уровень можно за счет увеличения постоянной составляющей RC-цепочки и за счет усложнения схемы этой цепочки, но убрать полностью паразитный сигнал НЕВОЗМОЖНО! Вдобавок за увеличение временных параметров интегратора неизбежно придется заплатить увеличением времени переходных процессов при перестройке (шаге) и уменьшением устойчивости петли ФАПЧ, иногда приводящей к самовозбуждению такого синтезатора. Эти же обстоятельства не позволяют получить малый шаг перестройки. Приходится заставлять работать ГУН на более высоких частотах, а потом делить частоту цифровыми микросхемами, что в свою очередь НЕИЗБЕЖНО добавляет ГРЯЗИ в выходной сигнал. Некоторые делают PLL-синтезаторы с ПЕРЕМЕННЫМ по частоте опорным генератором, например на DDS синтезаторе. Это все равно ПРИНЦИПИАЛЬНО не позволяет убрать паразитную ФМ из спектра выходного сигнала.

Что касается “чистого” DDS синтеза, то у него тоже есть свои слабые места – ухудшение качества сигнала с возрастанием частоты, т.н. “спуры” т.е. побочные “палки” в спектре, фазовые шумы. Кстати, они присущи и петлевым синтезаторам, но их природа возникновения СОВЕРШЕННО другая, чем у DDS. Уровень посторонних частотных составляющих сильно зависит от способа тактирования, разрядности выходного ЦАП и качества монтажа. Эта грязь возникает, как продукт биений выходной частоты и тактовой частоты чипа. Некоторую роль здесь играют и другие частоты, которые “уживаются” в одном корпусе микросхемы. Но эти побочные продукты, как правило, далеко отстоят от частот полезного сигнала и не очень мешают.

Исследуя сигнал синтезатора на анализаторе спектра, я заметил, что фазовые шумы в DDS очень сильно зависят от качества опорного сигнала и от способа тактирования. При использовании в схеме кварцевого резонатора получить приемлемые параметры не удалось. Из-за невысокой собственной частоты кварцев (1-я гармоника - максимум 30…35 МГц) появляется необходимость использовать внутрисхемное умножение частоты, что неизбежно приводит к ухудшению качественных параметров выходного сигнала. На практике лучше применять внешние опорные генераторы. Конечно, наилучший вариант тактирования – опорный сигнал с максимально возможной для данного типа DDS частотой, без умножения. Неплохо бы и немного форсировать частоту – превысить ее относительно паспортного значения. Другой вопрос, – где взять качественный генератор на частоты 500…1200 МГц. В широкой продаже таких качественных опорников нет. Приходится обходиться компромиссом – генераторами на частоты 50…100 МГц с программно-управляемым умножением внутри чипа DDS.

О самых главных преимуществах DDS синтезаторов.

Это скорость перестройки с одной частоты на любую другую, минимально возможный шаг перестройки и диапазон перестройки.

Скорость изменения частоты определяется скоростью обмена информацией между управляющим контроллером и чипом синтезатора. Современные DDS имеют в основном последовательный интерфейс. Максимальная скорость обмена доходит до 25 мегабит в секунду. Для перестройки необходимо передать в синтезатор около 32-х, или 48-и бит информации. Несложный подсчет показывает, что время перестройки составит около 2…3 мкс. Такие скорости ВПРИНЦИПЕ недоступны PLL синтезаторам. На вопрос: “Зачем они, такие скорости, нужны?” Ответ – например, для осуществления цифровой, программно-управляемой модуляции. Так можно свободно осуществить речевую АМ и ЧМ, а так же ФМ с любой, заранее заданной глубиной и качеством модуляции. Любопытна возможность реализации синтеза однополосного сигнала прямо на рабочей частоте, без фильтров и смесителей. Это вполне “по зубам” DDS-ам, необходимо только выработать управляющий сигнал. Это рационально сделать с помощью DSP.

ШАГ и ТОЧНОСТЬ установки частоты.

Шаг перестройки в DDS зависит от разрядности фазового аккумулятора и от тактовой частоты. Причем минимальный шаг равномерен во всем диапазоне перестройки синтезатора. Выходная частота в Герцах (Fdds) определяется по формуле: Fdds=(FTW*Fs)/2^n , где: “FTW” – многоразрядное двоичное число, которое необходимо передать от контроллера, для того, что бы чип DDS выдал необходимую частоту. “Fs” – реальная тактовая частота синтезатора в Герцах (после умножения внутри чипа DDS), “n” – разрядность фазового аккумулятора. Минимальная разница между выходными частотами синтезатора будет при различии в управляющем числе (FTW) на единицу младшего разряда. Для примера подсчитаем, на сколько минимально отличаются две установленные частоты в современном чипе DDS – AD9912. Эта микросхема способна работать на тактовых частотах до 1000 МГц (реально работает и на 1200…1400 МГц). Разрядность фазового аккумулятора у нее – 48 бит. FTW может иметь минимальную величину, равную нулю, но тогда очевидно, что Fdds также будет равна нулю. Реально при этом на выходах синтезатора будет ПОСТОЯННЫЙ ТОК. Минимальное значение, при котором на выходе синтезатора будут присутствовать колебания (“генерация”) равно единице. Вычислим по формуле частоту для FTW=1 и тактовой частоты 1ГГц. Заодно узнаем и минимальный шаг перестройки: Fdds=(1*1000000000)/(2 в степени 48) = 1000000000/281474976710656 = 0,00000355 Гц или около 3,55 МИКРОГЕРЦ. Один период такого колебания будет длиться примерно 78 ЧАСОВ. Причем, заметьте, что данное ФАНТАСТИЧЕСКОЕ число не продукт, каких то флуктуаций и случайных “уходов”, а совершенно определенная, управляемая величина. Вот с такой ТОЧНОСТЬЮ мы теперь можем устанавливать частоту во всем диапазоне перестройки от нуля до 500 МГц, ЕСЛИ ЭТО НАМ ПОТРЕБУЕТСЯ. Конечно, в большинстве случаев такая точность просто не нужна, но далее мы увидим, в каком случае она не лишняя.

О диапазоне перестройки DDS синтезатора.

С нижней частотной границей вроде разобрались – это ПОСТОЯННЫЙ ТОК. Верхняя граничная частота равна половине от тактовой. Т.е. в нашем случае при Fs=1000 МГц, это 500 МГц. Если бы мы смогли рассмотреть форму такого сигнала с помощью осциллографа, то увидели бы прямоугольник с дрожащими фронтами. Правда после пропускания через фильтр нижних частот с частотой среза, равной Fs/2 (такой многозвенный ФНЧ всегда ставится на выходе любого DDS) прямоугольное напряжение превратилось бы в синус, но качественные характеристики такого сигнала оставляли бы желать лучшего. Другими словами – качество выходного сигнала зависит от соотношения частоты этого сигнала и опорной частоты. Хотя максимальная частота может быть равна половине от тактовой, но рекомендуется устанавливать ее не выше 1/3 от тактовой. Хотя для тестовых нужд можно все же до половины тактовой. Но при больших соотношениях выходной и тактовой частот, порядка сотен или тысяч, качество сигнала будет непревзойденным! Идеальная синусоида, без искажений, шумовых составляющих, постоянная по амплитуде и гигантским диапазоном перестройки.

К вопросам заданным в начале статьи.

Как мы видим, сделать нижний предел, равным 0,01 – НЕТ ПРОБЛЕМ! Теперь о точности… У меня в синтезаторе на чипе AD9952 число, управляющее частотой (FTW) берется из таблицы, хранящейся в памяти контроллера. Достаточно только сопоставить частоту, индицируемую на дисплее с адресом в таблице и взять готовый результат – число, которое необходимо “засунуть” в синтезатор. Ассемблерный текст таблицы в исходном тексте программы вычисляется и пишется с помощью “самодельной” компьютерной программы. Достаточно только ввести исходные параметры. Какие? Это поправка к ПРОБНОЙ прошивке. При сравнении выходной частоты с частотой эталона – радиостанцией “РВМ” 14,996 МГц. Поправка определяется методом нулевых биений, на слух, при сравнении частоты синтезатора и эталона. Точность такого метода – десятые доли герца. После вычислений и повторной прошивки контроллера частота на индикаторе и реальная выходная частота синтезатора совпадают. Конечно, остается небольшой “зазор”, обусловленный температурным уходом опорного генератора, но при уменьшении выходной частоты ее абсолютная точность пропорционально увеличивается. К примеру, если на частоте эталона ошибка составляет +5 Гц, то на частоте 1,5 МГц, т.е. в десять раз меньшей, ошибка будет уже +0,5 Гц, а на 150 КГц – 0,05 Гц. Здесь открывается еще одна интересная техническая возможность, нереализуемая в не DDS синтезаторах – это программная термостабилизация частоты опорного генератора. Как известно, основной вклад в частотную нестабильность кварцевых генераторов вносит температурный уход. Для его компенсации достаточно замерить температуру опорника каким-либо термодатчиком, оцифровать результат на АЦП того же контроллера, что используется для управления синтезатором и по таблице внести программную поправку в FTW. При этом точность регулировки зависит от нашего желания и потребностей и может быть практически ЛЮБАЯ. Нет необходимости тратить энергию на нагрев термостата, как это делается при традиционных методах стабилизации частоты.

На сколько мне легко изменить разрешающую способность синтезатора по частоте?

Табличный метод позволяет получить ЛЮБОЕ соотношение индицируемой и выходной частоты. Для любителей новомодного вида приема и передачи – SDR, и для трансиверов прямого преобразования с фазовым методом подавления нежелательной боковой полосы я по особой просьбе покупателей уже давно делаю синтезаторы с соотношением выходной и индицируемой частот, как 4:1. После деления выходной частоты на триггерах квадратурного фазовращателя все возвращается к соотношению 1:1. Я также могу сделать ЛЮБОЕ, даже дробное соотношение. Например, могу сделать прошивку, при которой младший разряд ЖКИ дисплея-индикатора частоты, будет показывать не десятки герц, а десятые или сотые доли герца и это будут НАСТОЯЩИЕ цифры, отображающие действительную частоту с огромной точностью и стабильностью. А всего то для изменения шага мне необходимо ввести множитель в тело компьютерной программы, которая генерирует текст таблицы коэффициентов. Табличный метод вдобавок делает синтезатор, его программу, совершенно свободной от ограничений по применению какой-либо конкретной опорной частоты (опорного генератора со строго определенной частотой). В схемах всех известных радиолюбительских синтезаторов применяются стого определенные по частоте опорники. А, ведь, их частоты от экземпляра к экземпляру рознятся очень сильно и точность значения выходной частоты "гуляет" в неопределенных пределах. Желающим повторить такую конструкцию часто очень трудно достать генератор или кварц с заданной автором частотой. Всевозможные коррекции частоты в таких синтезаторах - это полумеры. Таблица значений FTW в моем синтезаторе не только позволяет ИНДИВИДУАЛЬНО с эталонной точностью юстировать выходную частоту на этапе изготовления, но так же быть совершенно независимым от конкретной частоты опорника и от способа тактирования (с умножением или нет). Сейчас, например, некоторые ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ экземпляры синтезаторов комплектуются СУПЕР-ОПОРНИКАМИ на частоты 500...600 или 1000...1200 МГц.

Так, что – ЗАКАЗЫВАЙТЕ СИНТЕЗАТОРЫ !

19.02.2008 Сергей Макаркин (RX3AKT)