DDS-based generator development

Abstract

La síntesis digital directa (DDS) es un método para producir, mediante bloques de procesamiento digital, una forma de onda analógica a partir de una frecuencia de reloj de referencia. DDS es la solución para aplicaciones que exigen una generación precisa de frecuencia o agilidad de frecuencia. El objetivo del presente proyecto es diseñar e implementar un generador de onda sinusoidal destinado a ser utilizado como oscilador local para transmisiones de RF. Un dispositivo DDS completo incluye un oscilador controlado numéricamente (NCO) y un convertidor D/A en un solo chip. El NCO consiste en el acumulador de fase y la tabla de búsqueda sinusoidal. La entrada al acumulador de fase, palabra crucial, especifica la frecuencia de salida en un número binario de 24 a 48 bits. Cada ciclo de reloj, la palabra crucial se suma al valor contenido en el acumulador de fase, hasta que se desborda y vuelve a arrancar. El acumulador de fase calcula los valores de fase de un ciclo de la onda senoidal antes de desbordarse. La tabla de búsqueda sinusoidal actúa como un convertidor de fase a amplitud. El dispositivo DDS, tipo AD9834, se programa a través de un Arduino Uno vía SPI. El AD9834 está implementado en 28 bits y la frecuencia de reloj es de 75 MHz. Estos parámetros definen la resolución del DDS, que es igual a 0,28 MHz. Las aportaciones del proyecto incluyen la construcción de un prototipo funcional que puede ser utilizado con fines educativos, entre otros. Se analiza la calidad de la señal de salida y se explican algunas causas de la impureza espectral, principalmente el truncamiento y la no linealidad del DAC. Finalmente, se discuten posibles soluciones para mejorar la calidad de la señal de salida cuando se ajustan altas frecuencias.

Direct digital synthesis (DDS) is a method of producing, by means of digital processing blocks, an analog waveform from a reference clock frequency. DDS is the solution for applications that demand precise frequency generation or frequency agility. The aim of the present project is to design and implement a sine wave generator intended to be used as a local oscillator for RF transmissions. A complete DDS device includes a Numerically Controlled Oscillator (NCO) and a D/A converter into a single chip. The NCO consists on the phase accumulator, which is the heart of the system, and the sine lookup table. The input to the phase accumulator, tuning word, specifies the output frequency in a binary number of 24 to 48 bits. Every clock cycle, the tuning word is added to the value contained in the phase accumulator, until it overflows and starts again. The phase accumulator computes the phase values of one cycle of the sinewave, before overflowing. The sine lookup table acts as a phase-to-amplitude converter. The DDS device, type AD9834, is programmed through an Arduino Uno via SPI. The AD9834 is implemented in 28 bits and the clock frequency is 75 MHz. These parameters define the resolution of the DDS, which is equal to 0.28 MHz. The contributions of the project include the construction of a functional prototype which can be used for educational purposes, among others. The quality of the output signal is analysed and some causes of spectral impurity are explained, mainly truncation and DAC non-linearity. Finally, possible solutions are discussed in order to improve the quality of the signal when high frequencies are set.