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146 FA 2/95 SCHWARZ CYAN MAGENTA GELB Praktische Elektronik Digitaler Sinusgenerator DDS102 (1) Dipl.-Ing. BURKHARD REUTER Wohl fast jeder Elektroniker hat sich schon mit der Erzeugung von Schwingungen mit sinusförmigem Verlauf beschäftigt. Benötigt werden solche Spannungen vor allem in der Meßtechnik zur Untersuchung von Frequenz- und Phasengängen analoger Schaltungen (Meßgeneratoren, Funktionsgeneratoren) und in der Funktechnik zur Erzeugung stabiler Trägerfrequenzen (Oszillatoren). Beginnend mit diesem Beitrag, wird ein Generator vorgestellt, der sich in 1-Hz-Schritten von 0 bis 16 MHz (mit Erweiterung bis 30 MHz) einstellen läßt. Der Aufbau in einem kleinen Abschirmgehäuse ermöglicht die Verwendung als Meßgenerator und den Einsatz als Oszillator in Sendern und Empfängern. Der Generator kann mit beliebigen Start- und Endfrequenzen als Wobbelgenerator genutzt werden, wobei die Anschlußmöglichkeit an einen Computer umfangreiche Einstellmöglichkeiten erlauben. ■ Anforderungen an Sinusgeneratoren Je nach Einsatz- und Frequenzbereich eines Sinusgenerators müssen die Eigenschaften der erzeugten Schwingung bestimmten Anforderungen genügen. Zunächst sollen die „idealen“ Werte vorausgesetzt werden: – exakte Sinusform, d. h., der Grundschwingung dürfen keine harmonischen oder nichtharmonischen Schwingungen anderer Frequenz überlagert sein (Klirrfaktor 0 %, bzw. Nebenwellenabstand unendlich groß), – absolute Stabilität, d. h., keinerlei Änderung der Amplitude oder Frequenz und kein „Weglaufen“ durch Änderung der Beriebsbedingungen (Temperatur, Betriebsspannung usw.), – kein Rauschen von Amplitude und Phase (Frequenz); die Schwingung stellt im Amplituden/Frequenz-Diagramm eine unendlich dünne Linie bei der Schwingungsfrequenz dar, ohne sogenannte Rauschseitenbänder zu besitzen (Phasenrauschabstand ist unendlich nah an der Grundfrequenz bereits unendlich hoch), – Einstellbarkeit mit absoluter Genauigkeit 146 • FA 2/95 von 0 Hz bis zu höchsten Frequenzen ohne Zwischenschritte (also rein analog) Diesen idealen Parametern kann man sich natürlich nur annähern, ohne sie zu erreichen, vergleichbar dem Unterschied zwischen idealem und realem Operationsverstärker. Bei diesen existiert eine kaum übersehbare Typenvielfalt mit dem Zweck, die beim bestimmten Einsatz wichtigsten Eigenschaften zu optimieren. Dieses Ziel wurde auch bei der Schwingungserzeugung mit der Entwicklung vielfältiger Schaltungsvarianten verfolgt. Belegung der Steuereingänge P0 P1 Phasenverschiebung L L 0° H L 90° L H 270° H H 180° Während im NF-Bereich oft freischwingende Oszillatoren mit Amplitudenregelung eingesetzt werden, dominieren im HF-Bereich die Quarzoszillatoren – und in Verbindung damit – die verschiedensten PLL-Schaltungen. Natürlich gibt es zur Erzielung sehr guter Eigenschaften für alle möglichen Anwendungen hochwertige Generatoren, doch deren Einsatz verbietet sich neben Volumen-, Gewichtsund Verlustleistungsproblemen (z. B. als Hauptoszillator in einem Transceiver) vor allem aus Preisgründen. Bild 1 : Das Prinzip der direkten digitalen Synthese ■ DDS-Generatoren Generatoren nach dem DDS-Prinzip (Direkte Digitale Synthese) sind aufgrund fallender Preise für die notwendigen IS, und weiterer Neuentwicklungen der Halbleiterhersteller, in letzter Zeit auch für Amateuranwendungen interessant geworden. Wie der Name schon sagt, wird bei diesem Prinzip eine Sinusschwingung direkt aus digital bereitgestellten Werten erzeugt. Dabei setzt ein D/A-Wandler (richtig eigentlich D/A-Umsetzer) die Digitalwerte in analoge Spannungen um. Ziel der Schaltung ist es, dem Wandler mit einer festen Taktfrequenz bei jedem Takt den richtigen Wert, der zur nächsten Stelle auf der Sinuskurve „paßt“, anzubieten. Die fortlaufende Erzeugung der richtigen Digitalwerte übernimmt der eigentliche DDS-Chip. Bei den heute angeboten IS hat man schon eine recht große Auswahl, die sich vor allem in Taktfrequenz, Auflösung der Digitalwerte (Bitbreite) und etlichen Zusatzfunktionen unterscheiden. Dazu ist allgemein zu sagen, daß eine höhere Taktfrequenz eine höhere Ausgangsfrequenz ermöglicht, und eine größere Bitbreite der Werte für den D/A- Wandler eine höhere Qualität der Sinusschwingung. Zusatzfunktionen bewirken meistens Phasen (Frequenz) -umschaltung bzw. -modulation, sowie alle möglichen digitalen Modulationsarten. Es gibt sogar IS mit digitalen Mischern, Filtern, Taktratenwandlern und DDS-Generatoren auf einem Chip. Sie werden dann auch als digitale Konverter oder Tuner bezeichnet. Das Grundprinzip der fortlaufenden Binärwerterzeugung entsprechend der gewünschten Sinusschwingung ist aber bei allen Chips dasselbe. Es soll anhand von Bild 1 erläutert werden. Alle möglichen Sinuswerte, die der Generator ausgeben soll, sind in einem Nur-Lese-Speicher (ROM) im IS gespeichert. Die Anzahl der Werte richtet sich dabei nach der Bitbreite des digitalen Sinus. Bei 12 Bit sind z. B. mindestens 2 12 = 4096 verschiedene Werte erforderlich. Die Adressierung dieses Speichers erfolgt von einem Akkumulator (Ergebnisregister einer Rechenoperation). Bei jedem Taktimpuls wird dem augenblicklichen Inhalt des Akkus ein fester Wert zuaddiert, und der auf dem nun adressierten Speicherplatz liegende wird ausgegeben. Damit ergibt sich ein fortlaufendes Durchzählen der Speicherstellen und eine kontinuierliche Sinusschwingung am Ausgang des D/A-Wandlers. (wird fortgesetzt)
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