Sintetizadores de síntesis digital directa (DDS) en Osciladores Locales

Se describen las características e implementación de sintetizadores de Síntesis Digital Directa DDS como Osciladores Locales, destinados a formar parte del Receptor de RF del Radiotelescopio ubicado en el Instituto Argentino de Radioastronomía. Los mismos, con posibilidad de ser ajustados en alta resolución en frecuencia, ajuste en fase y amplitud, en la técnica de síntesis digital directa.

 
Dentro de las características principales podemos citar: la implementación de cuatro Osciladores Locales independientes sincronizados con un mismo Reloj de Referencia, c/u con una resolución de frecuencia de aprox. 0.1Hz, resolución de fase en 0,022 grados, corrección de fase entre canales, posibilidad de realizar saltos en frecuencia sincronizados con una fuente externa.
 
El módulo de control posee indicación visual, control local por teclado y en forma remota a través de una interfase serial.

 
Introducción a la Sintesis Digital Directa (desde Analog Devices)
Analog Devices presentó sus nuevas soluciones DDS (direct digital synthesis), dispositivos utilizados para crear digitalmente formas de onda y frecuencias arbitrarias, tomando como base una sola señal de frecuencia fija.
 
DDS es una técnica utilizada en un amplio rango de aplicaciones desde equipo automatizado de pruebas para dispositivos electrónicos hasta sistemas de comunicaciones inalámbricos o satelitales.
 
Los dispositivos DDS se han convertido en una alternativa cada vez más utilizada a las soluciones analógicas tradicionales de síntesis de frecuencias, debido que ofrecen algunas ventajas de rendimiento, como facilidad de sincronización para obtener señales en cuadratura y otras relaciones de fase entre señales, y una transición de frecuencia más rápida, entre otras.
 
Los nuevos dispositivos, denominados AD9958 y AD9959, ofrecen dos y cuatro canales DDS respectivamente, ofreciendo programación individual, salidas inherentemente sincronizadas y un mayor control en el balance de múltiples señales, aseguró el fabricante el la presentación de los dispositivos.
 
Los DDS de Analog Devices emplean en cada canal, un convertidor digital-analógico de 10bits, para convertir la frecuencia de referencia a una señal sinusoidal muestreada con un frecuencia de control extremadamente fina.
 
Cada canal programable DDS de estos dispositivos ofrece además un ajuste de offset de fase de 14 bits, una resolución de frecuencia de 32bits y un control de amplitud de 10bits, ofreciendo además un aislamiento de 60dB entre canales.
 
Los nuevos dispositivos están optimizados para utilizarse en aplicaciones que requieran operaciones de síntesis a alta velocidad, ya que pueden operar a una frecuencia de hasta 200MHz.
 
Entre estas aplicaciones se encuentran sistemas de radar/sonar de arreglo de fase, equipo automatizado de pruebas, despliegue de imágenes para la industria médica y sistemas ópticos de telecomunicaciones.
 
“La habilidad de proveer fácilmente de un control de offset de fase preciso entre múltiples canales sincronizados de salida, al mismo tiempo que utiliza un espacio en la tarjeta mínimo, permite a estos dispositivos ofrecer a los diseñadores de sistemas ventajas significativas sobre los tradicionales sintetizadores de frecuencia y DDS de un solo canal”, comentó Kevin Kattmann representante de Analog Devices.  Ver Fig. 1
 
Especificaciones técnicas del Equipo
– Síntesis de Frecuencia: desde 1Mhz a 200Mhz x 4 canales. Ajuste independiente x canal
Resolución: 0,1Hz.
Paso de sintonía: 0.1, 1, 10, 100, 1k, 10k y 100 kHz, a elegir.
 
– Control de Fase:
Margen: 0 – 359,9º. Ajuste independiente x canal
Resolución: aprox. 0,022º
 
– Nivel de salida: max. +13dBm. Ajuste independiente x canal
Resolución conversor D/A: 10 bit (amplitud)
Filtros: Elíptico 7mo orden fc=200MHz
 
– Base de Tiempo:
Entrada: Clock base de tiempos Externa
Frecuencia de Entrada: 10MHz +/- 100ppm
Impedancia de Entrada: 50ohm
Nivel de Entrada: Tip. + 0 dbm
Tipo de Conector: BNC
Salida: Clock base de tiempos Interna
Frecuencia de Salida: 10MHz
Impedancia de Salida: 50ohm
Nivel de Salida: Tip. + 0 dbm
Tipo de Conector: BNC
 
– Panel Frontal:
Controles:
Teclado de matriz 2×8
Encoder giratorio para ajuste
Llave de encendido principal
Llave de encendido de Base de Tiempo Interna
Indicadores:
Luminoso llave encendido principal
Luminoso llave de encendido de Base de Tiempo Interna
Luminoso canal de monitoreo
Sonoro de teclado y encoder
Pantalla Visualización: LCD alfanumérica, 4x 20 caracteres, retroiluminada por LED
Salida de señal: BNC x 4 / 50 ohm
Salida Base de Tiempo Interna: BNC
Entrada de Base de Tiempo Externa: BNC
 
– Panel Posterior:
Puerto de control: ETA-232 estándar, con conector DB9. Puerto USB
 
– Memoria de parámetros: Memoria para parámetros de ajuste en arranque
 
– Alimentación:
Alimentación: 220-240V CA; 50Hz
Consumo: aprox. 40 VA
 
– Dimensiones: 4.5 x 48.3 x 15.75cm (altura x longitud x profundidad)
Espacio Rack: 2 Unidad Rack
Construcción: Chasis de aluminio
Margen de temperatura de funcionamiento: 0 – 50 ºC
 
Diseño y montaje
Se utilizó para el diseño del equipo, el “AD9959-KIT Evaluation Board” ofrecido por Analog Devices. Ver Fig. 2
 
Se diseñó y construyó un módulo capaz de suministrar las salidas de voltajes necesarias para la funcionalidad de la placa AD9959-KIT, como así también para los amplificadores de salida. Ver Fig. 3a y Fig. 3b
 
Para alojar los anteriores módulos, fue necesario diseñar y maquinar, un compartimiento brindado. El mismo fue construido en base a un bloque de aluminio posteriormente maquinado. Ver Fig. 4a y Fig. 4b
 
Montaje de los módulos dentro del bloque maquinado. Ver Fig. 5 y Fig. 6
 
Se procede a realizar el conexionado de las salidas de la placa de distribución de las tensiones de alimentación, hacia el módulo DDS y los módulos externos. Ver Fig. 7 y Fig. 8
 
Construcción de los Módulos Amplificadores de RF (x 4)
Se realizó la construcción de 4 amplificadores de RF, destinados a amplificar la señal de salida entregada por el DDS.
Especificaciones:
Amplificadores: GPD402 y GPD404
Ancho de Banda: DC a 400 Mhz
Ganancia: 25dbm
Potencia de Salida: +15dbm
Alimentación: +15VCC/100mA
Ver Fig. 9
 
Construcción del Módulo Pots Splitter x 4
Este módulo esta destinado a recibir cada una de las señales entregadas por los cuatro Amplificadores de RF y entregar dos salidas de cada señal. Una de las salidas se entrega en el panel frontal del equipo mediante un conector BNC, y la otra se conecta a una de las 4 entradas del módulo Llave de RF.
Se produce una atenuación de 3dbm en cada una de las 2 salidas, respecto a la señal de entrada (para cada uno de los 4 pots splitters). Por lo que, el máximo nivel de señal a la salida entregado por los amplificadores (+15dbm), se ve atenuado al ser entregado en el panel frontal (+12dbm).
Ver Fig. 10, Fig.11 y Fig. 12
 
Módulo de llave de RF
El Módulo utilizado es de la firma MINICIRCUITS (ZSWA-4-30DR)
El mismo es utilizado para obtener una señal de monitoreo de cada una de las 4 señales de salida sintetizadas. Dicha señal de monitoreo es accesible en el panel frontal mediante un conector BNC.
La selección del canal a monitorear, coincide con el número de canal visualizado en el display y es también mostrado con un indicador luminoso debajo de cada una de las salidas de señal en el panel frontal.
 
Especificaciones:
Switch GaAs
50O SP4T, TTL Driver, Absorptive DC to 3 GHz
Ver Fig. 13, Fig. 14 y Fig. 15
Construcción del Módulo Triplicador de Frecuencia (10MHz a 30MHz):
Especificaciones:
Entrada: 10MHz/0dbm – SMA-H
Salida: 30MHz/+3dbm – SMA-M
Tensión Alimentación: +15VCC
Ver Fig. 16
 
Se procede a realizar el conexionado de los módulos anteriormente descriptos con el módulo DDS.
Ver Fig. 17 y Fig. 18
 

 
Participantes:
– Ing. Marcelo Belloni
– Ing. Juan Carlos Olalde
– Julio Mazzaro
– Alberto Yovino
– Santiago Spagnolo