Sintetizzatori di frequenza

Sistemi analogici

� Sistemi in grado di fornire oscillazioni a frequenza regolabile su piùdecadi a partire da una (o poche) oscillazioni a frequenza fissa conrisoluzione anche inferiore all’Hertz.

� Basati su oscillatore al quarzo (ottima stabilità a lungo termine).

Recentemente sostituiti sempre più con sistemi digitali.

Principali applicazioni:

- Freq. di riferimento per misure di frequenza.

- Generazione di forme d’onda.

Sintesi di frequenza – p.1/63

Generatori di forme d’onda

� Generatori sinusoidali (sintetizzatori di frequenza)

� �� � � � � � �� � � � �

�

�� � � � ��

� Sintesi di frequenza

DIRETTA

ANALOGICA DIGITALE

INDIRETTA

(PLL)

Sintesi di frequenza – p.2/63

Sintesi analogica diretta

Operazioni elementari sulle frequenze:

��� � ��� �

� �� � � � � � � � �� � � � � � � ��

���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

� ��� �����

� �!" �# �! $ �#% &

'

(*)

(,+(*+ - ()

( + . ()

��� / 0

:

NL

1 243 2356

7 849 : 849 ; 849 <

=

>@?

>@?BA C >@?A D >@?BE E E

! : ampiezza delle armoniche, selettività dei filtri

Sintesi di frequenza – p.3/63

Sintesi analogica diretta

Operazioni elementari sulle frequenze (2):

��� � �

:

filtro

in��� ��

� �

���

� �

��� � �

. . .out �

out

combinazione lineare:

�����

� �

�� � � � � �

Es.:

��� � �

MHz,

��� � ��MHz,

��� � 0� � �� 0� MHz.

! : ampiezza delle armoniche, selettività dei filtriSintesi di frequenza – p.4/63

Sintesi analogica diretta

P.Banda

� � �

� �

���� � � �

MHz

12 MHz

3 MHz

4 MHz

1 MHz

2 MHz

Sintesi di frequenza – p.5/63

Generazione di Gruppi Spettrali

Gen. Arm. Gen. Arm.

Filtro Filtro

� � � � � �

��� � � �

MHz

� ���

� � �

� � ���

� � �

��

� � � �

� ���

� � � �

� ���

� � � �

��

� � �

��

� � ���� �

� � ��� � �

��� � �

� � � �� � � �

Sintesi di frequenza – p.6/63

Generazione di Gruppi Spettrali (2)

Gen. Arm. Gen. Arm.

Filtro Filtro

� � � �

� � ���

� �

��

� � �

� ���

� � �

� ���

� � �

��

� �

��

� � ���

�

� � ��� �

��� � �

� � � �� � � �

���

� ���

� � � � �� � � �

Sintesi di frequenza – p.7/63

Generazione di Gruppi Spettrali (3)

� �

��� � � �

MHz

��

� � ��

� �

� �

��

��

� � � ���

� � �

��

� � ���

�� �

��

�

� � ���

�

� � ���� �

��� � �

� � � �� � � �

Sintesi di frequenza – p.8/63

Sintesi Digitale Diretta (DDS)

� Principio di funzionamento:Campioni del segnale richiesto sono periodicamente estratti da unamemoria e presentati in uscita.

D-A

puntatoreRAM

000001

���� �

Anche per tensioni non sinusoidali:

(o. quadra, o. triangolare, tens. impulsive, tensioni definite dall’operatore)

Sintesi di frequenza – p.9/63

Sintesi digitale diretta (DDS)

campioni sfasati di

�� � ��� ��

n campioni/periodo

�

RAM

es: � � � �� �� ��� �

n campioni/periodo � � �� � � � ��� � � � �

� � ��� � � � � ��

“RICOSTRUZIONE”

��� �� �� �

. . .

. . .

. . .. . .

. . .

�� ��

� ��

�

�

� �

Sintesi di frequenza – p.10/63

Sintesi digitale diretta (DDS)

campioni sfasati di

� � � � � ��

n campioni/periodo

�

RAM

es: � � � �� � � ��� �

“RICOSTRUZIONE”

� � � ��� � � � � �� (p. es.

� ��� � � � � �� )

n/m campioni/periodo (p. es. n/2) � � � � � � � � � � ��� � � � � �

(p. es. �� � � � � � � � � �

)

. . .

� � �� ��� � �

� �

. . .

. . .

. . .

. . .

�� ��

� ��

�

�

Sintesi di frequenza – p.11/63

Sintesi digitale diretta (DDS)

+REG.

INDIRIZZI MEMORIA D−A filtro

CK

��� �

Sintesi di frequenza – p.12/63

Sintesi digitale diretta (DDS)

- minima frequenza sintetizzabile:

��� ��� � ��� � � � � � �

� ��

- risoluzione in frequenza

� � �� ��� � ��� � � � � � �

� ��

- massima frequenza sintetizzabile

( ! hp: min 4 campioni/periodo):

�� �� �

� �� �

�� �

- range:

�� ���� ��� �

�

Sintesi di frequenza – p.13/63

A.W.G.

Arbitrary Waveform Generator

�Forniscono (previa memorizzazione):

- forme d’onda definite dall’utente

- forme d’onda prodotte da altri sistemi (digitalizzazione)

- forme d’onda definite per via analitica (discrete)

- forme d’onda risultato di simulazioni

- forme d’onda ottenute mettendo insieme spezzoni di altri segnali(editing grafico o mediante programma)

- . . .

Sintesi di frequenza – p.14/63

Agilent 33220A

Function/Arbitrary Waveform Generator:

� � � � �� �� �:

frequency range

1 �Hz(*) - 20 MHz sin

1 �Hz(*) - 200 kHz ramp, triang.

Arbitrary

freq. range: 1 �Hz - 20 MHz

waveform length: 2 to 64k pts.

ampl. resolution: 14 bit

*

�� �� � �� �� � � � � � ! ? ! ? ! ?

Sintesi di frequenza – p.15/63

Accumulo di fase

+REG.

INDIRIZZI MEMORIA D−A filtro

N

ND−A filtro+

REG.

INC. FASE

N P<NMEMORIA

CK

M.S.B.(tronc.)

0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 010

(a) (b)

�

��� �

� � �tuning word

� �� �

�bit

� � � �

�bit

Sintesi di frequenza – p.16/63

Accumulo di fase

N = 4, P = 2

CK

0 00001 00012 00103 00114 01005 01016 01107 01118 10009 1001

10 101011 101112 110013 110114 111015 1111

tuning word = 11 2 3 4 5

(a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b)0000 00 0000 00 0000 00 0000 00 0000 000001 00 0010 00 0011 00 0100 01 0101 010010 00 0100 01 0110 01 1000 10 1010 100011 00 0110 01 1001 10 1100 11 1111 110100 01 1000 10 1100 11 0000 00 0100 010101 01 1010 10 1111 11 0100 01 1001 100110 01 1100 11 0010 00 1000 10 1110 110111 01 1110 11 0101 01 1100 11 0011 001000 10 0000 00 1000 10 0000 00 1000 101001 10 0010 00 1011 10 0100 01 1101 111010 10 0100 01 1110 11 1000 10 0010 001011 10 0110 01 0001 00 1100 11 0111 011100 11 1000 10 0100 01 0000 00 1100 111101 11 1010 10 0111 01 0100 01 0001 001110 11 1100 11 1010 10 1000 10 0110 011111 11 1110 11 1101 11 1100 11 1011 10

Sintesi di frequenza – p.17/63

Accumulo di fase

N = 4, P = 2

CK

0 00000001

1 00100011

2 01000101

3 01100111

4 10001001

5 10101011

6 11001101

7 11101111

tuning word = 21 2 3 4 5

(a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b)0000 00 0000 00 0000 00 0000 00 0000 000001 00 0010 00 0011 00 0100 01 0101 010010 00 0100 01 0110 01 1000 10 1010 100011 00 0110 01 1001 10 1100 11 1111 110100 01 1000 10 1100 11 0000 00 0100 010101 01 1010 10 1111 11 0100 01 1001 100110 01 1100 11 0010 00 1000 10 1110 110111 01 1110 11 0101 01 1100 11 0011 001000 10 0000 00 1000 10 0000 00 1000 101001 10 0010 00 1011 10 0100 01 1101 111010 10 0100 01 1110 11 1000 10 0010 001011 10 0110 01 0001 00 1100 11 0111 011100 11 1000 10 0100 01 0000 00 1100 111101 11 1010 10 0111 01 0100 01 0001 001110 11 1100 11 1010 10 1000 10 0110 011111 11 1110 11 1101 11 1100 11 1011 10

Sintesi di frequenza – p.18/63

Accumulo di fase

N = 4, P = 2

CK

0 000000010010

1 001101000101

2 011001111000

3 100110101011

4 110011011110

5 1111

tuning word = 31 2 3 4 5

(a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b)0000 00 0000 00 0000 00 0000 00 0000 000001 00 0010 00 0011 00 0100 01 0101 010010 00 0100 01 0110 01 1000 10 1010 100011 00 0110 01 1001 10 1100 11 1111 110100 01 1000 10 1100 11 0000 00 0100 010101 01 1010 10 1111 11 0100 01 1001 100110 01 1100 11 0010 00 1000 10 1110 110111 01 1110 11 0101 01 1100 11 0011 001000 10 0000 00 1000 10 0000 00 1000 101001 10 0010 00 1011 10 0100 01 1101 111010 10 0100 01 1110 11 1000 10 0010 001011 10 0110 01 0001 00 1100 11 0111 011100 11 1000 10 0100 01 0000 00 1100 111101 11 1010 10 0111 01 0100 01 0001 001110 11 1100 11 1010 10 1000 10 0110 011111 11 1110 11 1101 11 1100 11 1011 10

Sintesi di frequenza – p.19/63

Accumulo di fase

N = 4, P = 2

CK

0 0000000100100011

1 0100010101100111

2 1000100110101011

3 1100110111101111

tuning word = 41 2 3 4 5

(a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b)0000 00 0000 00 0000 00 0000 00 0000 000001 00 0010 00 0011 00 0100 01 0101 010010 00 0100 01 0110 01 1000 10 1010 100011 00 0110 01 1001 10 1100 11 1111 110100 01 1000 10 1100 11 0000 00 0100 010101 01 1010 10 1111 11 0100 01 1001 100110 01 1100 11 0010 00 1000 10 1110 110111 01 1110 11 0101 01 1100 11 0011 001000 10 0000 00 1000 10 0000 00 1000 101001 10 0010 00 1011 10 0100 01 1101 111010 10 0100 01 1110 11 1000 10 0010 001011 10 0110 01 0001 00 1100 11 0111 011100 11 1000 10 0100 01 0000 00 1100 111101 11 1010 10 0111 01 0100 01 0001 001110 11 1100 11 1010 10 1000 10 0110 011111 11 1110 11 1101 11 1100 11 1011 10

Sintesi di frequenza – p.20/63

Accumulo di fase

N = 4, P = 2

CK

0 00000001001000110100

1 01010110011110001001

2 10101011110011011110

3 1111

tuning word = 51 2 3 4 5

(a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b)0000 00 0000 00 0000 00 0000 00 0000 000001 00 0010 00 0011 00 0100 01 0101 010010 00 0100 01 0110 01 1000 10 1010 100011 00 0110 01 1001 10 1100 11 1111 110100 01 1000 10 1100 11 0000 00 0100 010101 01 1010 10 1111 11 0100 01 1001 100110 01 1100 11 0010 00 1000 10 1110 110111 01 1110 11 0101 01 1100 11 0011 001000 10 0000 00 1000 10 0000 00 1000 101001 10 0010 00 1011 10 0100 01 1101 111010 10 0100 01 1110 11 1000 10 0010 001011 10 0110 01 0001 00 1100 11 0111 011100 11 1000 10 0100 01 0000 00 1100 111101 11 1010 10 0111 01 0100 01 0001 001110 11 1100 11 1010 10 1000 10 0110 011111 11 1110 11 1101 11 1100 11 1011 10

Sintesi di frequenza – p.21/63

Accumulo di fase (N=4, P=2)

� �� �� � � �� ��� � � � �

� � � � � � � � � � �

� � � � � � � �

� � � � � � �

� � � � �

� � � � � �

� � � � �

� � � � �

� � � � �

� � � � � � � �

� � � � � �

� � � � � �

� � � � �

� � � � � �

� � � � � �

� � � �

� �

N

ND−A filtro

(a) (b)

+REG.

INC. FASE

N PMEMORIA

CK

M.S.B.(tronc.)

�� �tuning word

��� � � ���

� � � ���

� � � ��

� � � � ���

� � � ��

� � ���

� � � � � �

! �� � � � � � �� "

Sintesi di frequenza – p.22/63

Agilent 33220A

-

� � � � �� �� �

-

0 � �� � �� � ! �� � � � � � �� � ��� � �� � � � � � � � �-

� � � � � ��

(16k locazioni di memoria)

- ampl. res.: 14 bit

-

��� � � �

(+ hi-Z)

Sintesi di frequenza – p.23/63

Sintetizzatori di frequenza - Specifiche

- Range di frequenza

- Forme d’onda

- Forme d’onda ”personalizzate”

- Purezza spettrale

- Rumore di fase (

� �

)

- Distorsione armonica ( ��� )- Subarmoniche e spurie

- Uscita:

- ampiezza

- impedenza (

� ��

� ��

� � � � � � )- Modulazione: AM, FM, PM, PWM, . . .

Sintesi di frequenza – p.24/63

Sintetizzatori di frequenza - Specifiche (2)

- Modi:

- continuo

- triggered (da segnale esterno o pulsante)

- burst (= triggered / cicli)

- gated (= triggered da

� � a

� � )

- modulato (da segnale esterno o interno)

-

�

sweep (

�� ��� � �� �� �

, lin/log)

- Rapidità di impostazione:

- sintesi diretta: fino ai �s (regime dei filtri)

- sintesi indiretta: almeno 10 �100 volte superiore (aggancio deiPLL)

- Generazione di impulsi

Sintesi di frequenza – p.25/63

Esempi

��

���

�

��

�

� � �� � � � � � � � �

� � ���

� � �

�

Sintesi di frequenza – p.26/63

Esempi

��

���

�

��

�

� � � � � � � �� � ��

� �� � �

� � �

�

Sintesi di frequenza – p.27/63

Controllo della fase

N

NfiltroD−A

P<N

M.S.B.(tronc.)

MEM+NREG.

INC. FASE

N

CK

+

N

p

�� �tuning word

Sintesi di frequenza – p.28/63

Modulazioni: PSK

��

���

�

��

�

� � �� � � �

� � �� � � � � � � � �

� � � � � � � � �

� � �� � �

�

Sintesi di frequenza – p.29/63

Modulazioni: FSK

��

���

�

��

�

� �� �

� � �� � � � � � � � �

��� ��� ��

�����

�

Sintesi di frequenza – p.30/63

Sintesi di frequenza - Stabilita/Accuratezza in frequenza

��� � � � ���

���� � � � ���

��� �

��� � � � ���

��� � �

������

� la frequenza prodotta è (percentualmente) accurata tanto quanto lafrequenza di riferimento.

������

� �� � � � � !� �

���� �

���� � � � � � � � � !�

Sintesi di frequenza – p.31/63