انستیتو تحقیقات ماهیان

سیگنال ژنراتور دیجیتال DDS – دیجی نیک

۳۱ فروردین ۱۳۹۶

به این نوشته رای دهید

سیگنال ژنراتور دیجیتال DDS

یکی از ساده ترین و کم خرج ترین روش برای ساخت یک سیگنال ژنراتور دیجیتال استفاده از آی سی DDS یا همان Direct Digital Synthesis است که دارای یک رابط دیجیتال برای تعیین و کنترل مشخصه های سیگنال خروجی است. این آی سی می تواند به راحتی به میکرو کنترلر AVR و Arduino و حتی رسپبری پای متصل شود. کاربرد DDS ها تنها در سیگنال ژنراتور ها خلاصه نمی شود بلکه کاربردهای مخابراتی و فرکانس بالا و همچنین کلاک خارجی برای مدارات دیجیتالی و حتی مدار های آنالوگ را دارد. یکی از کابرد های DDS ساخت فلزیاب های بسیار دقیق است.

همان طور که گفته شد DDS مخفف Direct Digital Synthesis است که به معنای سنتز دیجیتال مستقیم می باشد که یک روش برای تولید سیگنال آنالوگ (مانند سیگنال های سینوسی، مثلثی و مربعی یا …) است که در اولین طبقات این نوع سیستم یک سیگنال در فرم دیجیتال تولید می شود بعد سیگنال دیجیتال با یک مبدل دیجیتال به آنالوگ DAC به سیگنال آنالوگ تبدیل می شود.

diginic-dds-ad9850-avr-proj-pic

کاربرد های DDS:

  • کاربرد در سیستم های مخابراتی: در این سیستم ها به یک سیگنال سینوسی یا مربعی با فرکانس و فاز دقیق نیاز است. این سیستم ها باید Phase Noise پایینی داشته و از Resolution بالای فرکانسی برخوردار باشند. این نوع سیگنال ها در مدولاسیون یا دمدولاسیون مورد استفاده قرار می گیرند و به عنوان Local Oscillator یا اسیلاتور محلی و کلاک مرجع (Reference Clock) استفاده می شوند.
  • در صنعت و مهندسی پزشکی به دلیل دقت بالای فرکانسی و نویز فاز پایین
  • استفاده این نوع آی سی ها در فلزیاب ها
  • دیگر کاربرد این نوع سیستم استفاده استفاده آن در سیگنال ژنراتور برای کاربرد های آزمایشگاهی و ابزار دقیق است

انواع آی سی های DDS:

از آی سی های که به عنوان آی سی های DDS شناخته می شوند می توان AD9850 و AD9833 از شرکت Analog devices و LMX2582 از شرکت Texas Instruments نام برد. این آی سی ها بیشتر در طبقه بندی آی سی های Microwave و RF قرار می گیرند.

چرا باید از DDS در طراحی مدار های فرکانس بالا و سیگنال ژنراتور ها و مدار های ابزار دقیق استفاده کرد؟

Phase Noise این نوع آی سی ها نسبت به آی سی های هم رده خودشان پایین تر است در نتیجه Jitter پایین تری هم دارند. دیگر رقبای DDS، PLL (Phase Locked Loop) و اسیلاتور ها هستند. اما مزایای DDS ها نسبت به رقبایش مصرف توان کمتر، دقت فرکانسی بالاتر، Phase Noise پایینتر و همچنین Resolution فرکانسی بسیار بالا که در آی سی AD9850 در حد ۰٫۰۲۹۱ Hz است و مهمتر از آن ارتباط و کنترل این آی سی DDS به صورت دیجیتالی است. این آی سی ها قابلیت پروگرام شدن از طریق رابط های دیجیتالی مانند SPI و انتقال دیتای سریال را دارند. در پروگرام کردن یک آی سی DDS مثلا AD9850 به عنوان یک سیگنال ژنراتور با AVR می توان فرکانس و فاز و همچنین در بعضی از این آی سی ها نوع سیگنال خروجی برای مثال سینوسی، مربعی و مثلثی را می توان پروگرام کرد.

دیاگرام سیگنال ژنراتور DDS

DDS ها چگونه کار می کنند؟

هنر طراحی این آی سی در دیجیتالی بودن بخش زیادی از این آی سی است. در این قسمت در مورد جزئیات نحوه کارکرد یک سیستم DDS بیشتر توضیح داده می شود. در این سیستم ابتدا چند بیت وارد رجیستر آی سی می شود. این رجیستر پارامتر های سیگنال خروجی از قبیل فاز، فرکانس و شکل سیگنال خروجی را مشخص می کند. این بیت ها ابتدا وارد Phase Accumulator می شود. Phase Accumulator یک مدار دیجیتالی است که بیت های ورودی را به فاز تبدیل می کند. مثلا اگر سیگنال سینوسی باشد این بلوک بیت ها را به فاز متناظر سینوسی تبدیل می کند.

DDS Phase Wheel

سرعت تغییر فاز خروجی بستگی به کلاک ورودی و رجیستر بیت های فرکانس دارند. بعد از تبدیل بیت ها به فاز این سیستم بیت های خروجی را در پایه فازی به Amplitude یا همان دامنه تبدیل می کند که این عمل بر عهده Phase-To-Amplitude Converter است. در قسمت هایی که گفته شد تماما در دامنه دیجیتال بوده. برای تبدیل بیت های دیجیتالی به سیگنال آنالوگ از یک مبدل DAC استفاده می شود. در قسمت Phase-To-Amplitude Converter ، این بلوک مانند یک کتابخانه عمل می کند که با توجه به فاز ورودی یک مقدار بیت در پایه Amplitude تولید می کند.

چرا بهتر است به جای سیگنال ژنراتورهای آنالوگ قابل تنظیم از DDS استفاده کنیم؟

در سیگنال ژنراتورهای آنالوگ ما به یک طراحی بسیار پیشرفته و قطعات دقیق نیاز داریم که یک سیگنال کاملا سینوسی با فرکانس و دقت بالا تولید کند. اما امروزه بیشتر کنترل ها و ارتباطات به شیوه دیجیتالی است. برای مثلا استفاده از یک میکروکنترلر AVR برای ساخت یک سیگنال ژنراتور با استفاده از یک آی سی AD9850 بسیار کار آسان و کم هزینه است. اما اگر بخواهیم یک اسیلاتور با فرکانس قابل تنظیم را به یک سیستم دیجیتال متصل کنیم در اغلب موارد به تغییرات مداری و مخارج بالای قطعات الکترونیکی می انجامد. ولی تمام نیازهای یک سیگنال ژنراتور در یک آی سی DDS مانند AD9850 تعبیه شده که دارای یک رابط سریال بسیار سریع است. بنابراین آی سی AD9850 و AVR می تواند یک سیگنال با فاز و فرکانس دلخواه تولید کرد.

حرف آخر:

امروزه دسترسی به مدارات و سیستم های دیجیتالی مانند Arduino، Raspberry pi و میکروکنترلرهای AVR در دنیای الکترونیک زیادتر و کار با آنها آسان تر شده است. به همین دلیل ساخت یک سیگنال ژنراتور با AD9850 و یا دیگر آی سی های DDS بسیار کم خرج تر و راحتتر است. یک آی سی DDS مانند آی سی AD9850 یا ماژول AD9850 تنها به ساخت سیگنال ژنراتور خلاصه نمی شود بلکه کاربردهایی مانند مدولاسیون PSK و FSK و یا استفاده از آن ها به عنوان کلاک خارجی Reference Clock در یک میکروکنترلر AVR ARM PIC را داراست.