Wie sich die Grenzen der DDS-Signalgeneratoren verschieben lassen

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Arbiträre Signale lassen sich mit der DDS-Technik erzeugen. Doch obwohl die Technik sehr flexibel ist, so stößt sie gerade bei digitalen Signalen an ihre Grenzen. Eine spezielle Technik verspricht Abhilfe.

Die Mehrheit der aktuellen Signalgeneratoren setzt auf die DDS-Technik: Die direkte digitale Synthese generiert arbiträre Wellenformen und ist zudem preiswert. Allerdings weist die DDS-Technik Eigenschaften auf, die in vielen Anwendungen zu Problemen führen können. Oftmals bekommt der Anwender die Probleme nicht mit. Mit dem Impulserzeugungsalgorithmus „EasyPulse“ sollen die Probleme vermieden werden. Der Text erläutert die grundlegende Funktionsweise von DDS und die damit verbundenen Schwierigkeiten. Zudem trägt die EasyPulse-Technik dazu bei, die Schwächen von DDS zu eliminieren.

Damit ein analoges Signal mit Digitaltechnik generiert werden kann, muss ein Digital-Analog-Wandler seine ausgegebene Spannung anpassen, wenn sich das analoge Ausgangssignal ändern soll. Innerhalb eines analogen Signals existieren unendlich viele Amplitudenwerte die für unendlich vielen Zeitpunkte stehen. Die Ausgabe der Signale wird durch den Digital-Analog-Wandler begrenzt. Begrenzt werden die Zustände durch den Digital-Analog-Wandler. Es stellt sich die Frage, mit welcher Genauigkeit und Geschwindigkeit der Wandler die ausgegebene Amplitude verändern kann.

Wie der DDS-Generator eines Signalgenerators arbeitet

Typische Werte sind eine Amplitudenauflösung von 12 bis 16 Bit bei einer Dynamik im Zeitbereich von einigen Megasamples bis zu mehreren Gigasamples. In der einfachsten Form werden die auszugebenden Werte in einer Tabelle hinterlegt. Immer wenn ein neuer Takt vom Referenzoszillator kommt, wird ein neuer Wert ausgegeben. Das funktioniert so lange die Taktfrequenz ein Vielfaches von der auszugebenden Signalfrequenz ist. Werden flexible Frequenzen ausgegeben, muss der Referenztakt verändert werden. Allerdings ist ein präzise einstellbarer Taktgeber sehr aufwendig und teuer.

Die direkte digitale Synthese ist eine Technik zur Erzeugung einer analogen Wellenform, die ein zeitvariables Signal in digitaler Form erzeugt und es anschließend in ein Analogsignal umwandelt. Ein grundlegender direkter digitaler Synthesizer besteht aus einer Frequenzreferenz, einem numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) und einem Digital-Analog-Wandler (DAC). Der Referenzoszillator muss nicht variabel sein. Dadurch lässt sich eine hohe Präzision zu einem guten Preis erreichen.

Wellenformen mit dem DDS-Generator

Der DDS-Generator erzeugt die Wellenform, indem aus der zuvor definierten Kurvenform, der Ausgabefrequenz und den Eigenschaften, wie die Amplitude oder einer DC-Abweichung, ein Steuerwort generiert wird. Dieses Steuerwort wird an den digital gesteuerten Oszillator (NCO) weitergegeben. Innerhalb des NCO arbeitet ein Addierer, der mit jedem Takt das Steuerwort mit dem zuvor ausgegeben Wert zusammenzählt. Es entsteht ein grundlegendes Sägezahnsignal.

Aus diesem wird im Phasen-Amplituden-Wandler der Wert generiert, der an den DA-Wandler übergeben wird. Hierbei werden über weitere Stellglieder weitere Bedingungen hinzugefügt. So wird durch ein Exklusiv-Oder, dass an das höchstwertigste Bit (MSB) angelegt wird, aus dem Sägezahnsignal eine Dreiecksschwingung. Je größer das übergebene Steuerwort, desto weniger Takte werden benötigt, das die Werte im Phasenregister überlaufen und die Zählung von vorne beginnt. So wird die Ausgabefrequenz definiert.

Steile und jitterfreie Pulse erzeugen

So zeigt sich eine große Flexibilität in der Darstellung von verschiedenen analogen Kurvenformen. Allerdings ist das auch eine große Schwäche, wenn Signale erzeugt werden, die möglichst steile Flanken enthalten sollen. Wie steil eine Flanke ist, wird innerhalb der DDS-Technik durch den Zeitversatz zwischen zwei ausgegeben Punkten definiert. Der Zeitversatz ist je nach Speichertiefe des Signalgenerators und Länge des auszugebenden Signals sehr groß.

Weiterhin sollte die Frequenz des DDS-Clocks ein ganzzahliges Vielfaches des auszugebenden Rechtecks sein. Ansonsten wird ein deterministischer Jitter eingeführt, der einer Referenztaktperiode entspricht. In der Praxis wird das benötigte Signal generiert und nicht das, welches dem internen Signalgenerator entspricht. Deshalb sind die steilen und jitterfreien Pulse eine der wichtigsten Aufgaben, die ein Signalgenerator erzeugt.

Zu beachten ist, dass ein Abstimmwort eines DDS-Generators größer sein kann als die kleinsten Signalanteile. Deshalb werden in der Signalausgabe einige Punkte übersprungen. Das ist kein großes Problem bei einer sinusförmigen Wellenform, aber für arbiträre Wellenformen mit vielen Details, wie Impulsen oder Takten, kann das den Verlust von Informationen bedeuten.

Die Vorteile der EasyPulse-Technik in der Familie SDG X

Um diese Probleme zu lösen, hat Siglent den Impulserzeugungsalgorithmus EasyPulse entwickelt, der in alle Signalgeneratoren der Serie SDG X integriert ist. Dieser Algorithmus analysiert alle vom numerischen Oszillator ausgegeben Daten und bewertet diese. Vorab werden die Längenunterschiede der einzelnen Pulse, verursacht durch den DDS-Clock, erfasst und korrigiert. Im nächsten Schritt wird die Flankensteilheit der Pulse auf den gewünschten Wert angepasst. So lassen Signale sich selbst bei sehr langen Pulsfolgen bis hin zu Flanken mit einer Anstiegszeit von 1 ns generieren. Abschließend wird das gemessene Signal so angepasst, dass der Jitter um Faktor zehn geringer wird, als es mit der klassischen DDS-Technik möglich ist.

Anhand des Modells SDG6000X einige Beispiele: Zuerst soll mit der EasyPulse-Technik der Jitter beseitigt werden, der durch die herkömmliche DDS-Signalgenerierung entsteht. Um diese Funktion zu bewerten, wurde ein klassischer DDS-Wellenformgenerator und ein SDG6052X mit EasyPulse an einem Oszilloskop mit automatischer Jitter-Messung angeschlossen. Das Scope stellt die Messergebnisse grafisch dar.

Anstiegszeit unabhängig von der Frequenz definieren

Mit der Funktion lässt sich das gesamte im Speicher erfasste Signal darstellen und nicht nur die im Zoom aufgezeigte, erste steigende Flanke nach dem Trigger-Event. Mit dem DDS-Generator liegen die Unterschiede zwischen den Pulslängen bei 860 ps. Das entspricht sehr genau der Periode des DDS-Takts von 1,2 GHz und einem Jitter von 526 ps RMS. Wird dasselbe Signal mithilfe der EasyPulse-Technik erzeugt, reduziert sich die Varianz in der Pulslänge auf 60 ps und der Jitter auf 11,2 ps RMS.

Eine weitere Besonderheit der EasyPulse-Technik ist die Möglichkeit, die Anstiegszeit unabhängig von der verwendeten Frequenz zu definieren. In einem herkömmlichen DDS-Generator wird der minimale Wert durch die Speichertiefe bestimmt. Als Referenzgerät wird eines mit einer Speichertiefe von 64 Mio. Werten verwendet.

Es sei zu erwähnen, dass es sich hier um eine hohe Speichertiefe handelt, welche meist nur in professionellem Messtechnik-Equipment zu finden ist. Soll alle zehn Sekunden ein Impuls ausgeben werden, schafft das herkömmliche Gerät eine Impulsbreite von 156 ns (10 s/64.000.000 Speicherpunkte ≈ 156 ns). Der SDG6000X hingegen bietet eine minimale Impulsdauer von 3,3 ns. Selbst dann, wenn weniger als ein Impuls pro Woche ausgegeben wird, bleiben diese 3,3 ns erhalten.

Darüber hinaus lassen sich mit der EasyPulse-Technik sowohl die Flankensteilheit als auch die Impulsbreite frei definieren. Durch die minimale Einstellschrittweite von 100 ps wird die Einschränkung der klassischen DDS-Technik aufgehoben.

Die Anstiegs- und Abfallzeiten können unabhängig voneinander auf das Minimum von 1 ns eingestellt werden. Auch hier gibt es keine Beschränkungen durch die Signalfrequenz und die Einstellgenauigkeit entspricht den genannten 100 ps. So kann die Signalform frei definiert werden und dem in der Praxis benötigten Signal entsprechen.

Ein abschließendes Fazit der vorgestellten DDS-Technik

Die DDS-Technik war ein großer Schritt in der Messtechnik, mit der sich arbiträre Signale günstig erstellen lassen. Obwohl die Technik sehr flexibel ist, stößt sie an bestimmte Grenzen, die heutzutage immer relevanter werden. An vielen Stellen werden analoge Signale durch digitale abgelöst. Die Impulszeiten innerhalb der Kommunikationstechnik werden immer kürzer und Taktsignale schneller. Sollen innerhalb eines Entwicklungsprozess Testsignale realistisch dargestellt und in der Fertigung Komponenten verlässlich getestet werden, können die Schwachstellen der DDS-Technik ein großes Problem darstellen.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Die EasyPulse-Technik kann die Schwachstellen auflösen und bietet Anwendern die Möglichkeit, Mess- und Prüfaufgaben gerade bei digitalen und schnellen Anwendungen zuverlässig zu lösen.

* Patrik Gold arbeitet als technischer Support- und Applikations-Manager bei Siglent.

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