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2011年12月1日木曜日

【回路】Freq. Response of Filter on DDS Module

DDSモジュールのフィルタ・シミュレーション
 DDSでは原理上折り返し信号(スプリアスとなる)が発生するため、出力側に良く切れるフィルタの付加は必須である。 AD9850/AD9851 DDS-ICを使ったDDSモジュールには有極型の7次低域濾波器(7th order Low-pass Filter)が構成されている。

 左図はそのフィルタ部分を抜き出して回路シミュレータ用に書き出したものだ。 DDS-ICから見た負荷が100Ωになるよう設計されているため、負荷を分け合う形からフィルタの設計インピーダンスは200Ωになっている。なお、4:1のインピーダンス変換トランスを外付けし、50Ω出力にして使う際には基板上のR7(=200Ω)は除去する必要がある。言うまでもないと思うがR9(=200Ω)の方は取ってはいけない。

 なぜフィルタが200Ωの設計かと言えば、DDS-ICのD/Aコンバータが電流出力型であって、コンプライアンス電圧はわずかに1Vしかないからだ。 従ってD/AコンバータのI(max)=10mAとすれば、負荷抵抗RL=100Ωが最大となる。 またIC自身の出力インピーダンスは電流出力型ゆえにかなり高い。そのためIC直近の負荷を200Ωとし、さらにフィルタ後の負荷を200ΩとすることでDDS-ICから見たら100Ω負荷となるようにするとともに、In/Out対称型としてフィルタの設計が容易になるよう考慮している。(以上、私の解析)

DDSモジュールのフィルタ特性
 シミュレーションの結果は左のグラフのようになった。部品には誤差があって、基板にはストレー容量や配線インダクタンスも存在する。 従って、現実にはシミュレーションの理想通りにはならないかも知れぬ。 しかし概ね同じようになるはずだ。

 もっと通過帯域の「うねり」が大きいのではないかと予想していたが、意外に良好である。 約73MHzで-3dBであり、だいたい70MHzまでは平坦に通すよう設計されている。減衰域も-70dBくらい得られそうなのでマズマズだ。

 シミュレーション結果が悪ければD/Aコンバータ以降の回路はすっかり作りなおそうと思っていたが、その必要もなさそうだ。 もっとも、もっぱら低い周波数で使うのであれば、さらにカットオフ周波数の低いフィルタを付加すべきだ。 DDS-IC出力には折り返しノイズだけでなく、非高調波成分など広帯域で多様なノイズが含まれる。必要帯域幅に絞って使うのが旨く使うコツである。 なんでも広帯域ならよい訳ではない。

 基板上のLPF部分に目をやってみよう。部品はすべてチップ型なので物理的なサイズは十分小さい。配置もコンパクトだ。これならシミュレーションとさして違わぬ特性が得られそうだ。折り返しスプリアスを心配せずに十分使えそうである。

                 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆

 まずは、DDSモジュールから信号を・・が先ではないかと言う声もあろう。 その件は既に他のお方(JE6LVE/3高橋さん)が先行確認されてるので、いずれ問題になりそうなDDS出力の低域濾波器(LPF)を探ってみることにした。 DDSモジュールのLPF部分を直接ネットワーク・アナライザで見てしまうのも良かろう。しかし設計特性もしっかり押さえておけば思わぬ測定結果にも慌てずに済む。  de JA9TTT/1

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16 件のコメント:

JG6DFK さんのコメント...

おはようございます。

かなり立派な特性のフィルタが載っているようですね。段数は3段のようですが、次数が7次というのはどのように考えたらいいのでしょうか? 初歩的な質問ですみません。

DDS本体の最大出力ですが、1V/10mA max. ということは1.25mWでしょうか。もう少し欲しいケースもあるでしょうが、大抵の用途には十分でしょうか。

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

こんばんは。
1:4トランスを使うときにはR7を取り外さないとダメなのですね。^^;

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんばんは。 今夜は寒くなって来ました。

さっそくのコメント有難うございます。
> 次数が7次というのはどのように考えたら・・・
私の説明なんかよりもフィルタ関係の書籍などをご覧いただく方が良いと思います。(笑)

> もう少し欲しいケースもあるでしょうが・・・
測定器の類いでしたら広帯域増幅用のMMICが各種ありますのでそれが良いでしょうね。 HAMバンド用でしたら普通の狭帯域アンプを付加するのが良いと思います。 いずれにしても、デバイスは豊富にありますから支障はないでしょう。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL高橋さん、こんばんは。 大阪も雨でしょうか?

コメント有難うございます。
> R7を取り外さないとダメなのですね。^^;
4:1のトランスの先には50Ωの負荷が接続されることになりますので、200Ωの方は除去しないと旨くありませんね。 200Ω負荷で設計したフィルタに100Ωの負荷を付けることになってしまいますから、フィルタの特性にも影響があると思います。 外して評価してみて下さい。

JG1EAD 仙波 さんのコメント...

かなり良さそうなモジュールですね。私も一つ・・・いやアナデパからもらったサンプルを消費しないと。hi そしてプログラムを完成させないといけません。

ずいぶん早いですが、今年もありがとうございました。今晩よろしくお願いします。家事の分担を片づけて夕方出撃します。

TTT/hiro さんのコメント...

JG1EAD 仙波さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> もらったサンプルを消費しないと。
私ももらったサンプルが消費し切れていません。ww でも、クロックOSCを買って変換基板に載せて使うよりも手軽で悪くないと思います。 なお、これから購入されるならAD9850の方をお薦めします。(後で評価レポートをUPする予定です)

こちらこそ、本年も有難うございました。来年も宜しくお願いします。 今日は雨の様子を見て秋葉原に寄ってから・・と思っていましたが直行になりそうです。

JH9JBI/1 やまもと さんのコメント...

先日はどうもありがとうございました。
前項のコメントを考えている間に次が出てるとは意表を突かれました(笑)。
改めて基板を見て気づいたのですが、このモジュールは手でハンダ付けしていますね。さすがは中国。機械よりも安く生産できるんだなと感心してしまいました。
AD9850の方がおすすめというのはやはりPLLのジッタがあるということでしょうか。

今年もお世話になりました。来年もお世話になりますので(笑)、是非宜しく御願いいたします。

TTT/hiro さんのコメント...

JH9JBI/1 山本さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 考えている間に次が出てるとは・・・
前回のBlogはずいぶん間があきましたからね。(笑)

> このモジュールは手でハンダ付けして・・・
奇麗とは言え無いハンダ付けですよね。(笑)フラックスの様子などを見ると、手付けではないようにも感じます。鉛フリーハンダのようですので手付けっぽいく見えるのかも知れません。ハンダ量も多過ぎる感じです。hi hi

> AD9850の方がおすすめというのは・・・
高い周波数までの必要なければ9850の方が信号は良さそうでした。 AD9850では約40MHzまでですね。

こちらこそ、お世話になりました。来年も宜しくお願い致します。

JH9JBI/1 やまもと さんのコメント...

加藤さん、おはようございます。

手ハンダではないですか。チップの置き方が不揃いだったこともあってそのように判断していました。

>1:4トランスを使うときにはR7を取り外さないとダメなのですね。
LPFがIN-OUTとも200Ωの設計なので元々はHi-Zで受けるような設計ですね。
気になったのですが、10mAで1Vまでだから100Ωと書かれています。LPFのS21特性として70MHzあたりまでフラットでもZinが200Ωフラットではないので、入力端では1.5~2V程度に上昇する周波数域がありますが、この1V超の領域はICに無理をさせていると考えた方が良いのでしょうか?5V電源なら2×2Vでも4Vなので対応出来そうですが3.3Vだと難しく思います。
実装上はLPF素子のQでそんなに跳ね返らないだとかICのマージン・相補出力との兼ね合いだとかでそれほど気にならないのかも知れませんが。

TTT/hiro さんのコメント...

JH9JBI/1 山本さん、こんばんは。 今朝ほどコメント頂いたのですが、何故かspamに分類されてしまい自動公開されませんでした。 前のコメントでは大丈夫だったのに不思議ですねえ???

コメント有難うございます。
> 手ハンダではないですか。
そうとも言い切れませんが、昨今の中国では機械化も進んでますし、人手も足りないそうですので・・・。人件費も思ったほど安くはないんですよ。

> Hi-Zで受けるような設計ですね。
そのまま使うならそう言うことになりますが、出力端子からあまり配線は引き延ばせません。 200Ωを外してトランスを入れ、50Ω負荷で使う方が良いでしょう。

> この1V超の領域はICに無理をさせていると・・・
良い所に気付きましたね。こうした形式のフィルタでは、遮断周波数付近から上では信号源から見たインピーダンスは整合しません。
 よってご指摘のような状況になります。そのために歪みが発生している可能性も無いとは言えませんね。上限クロックで使う関係で、5Vで使うことになるのでマージンは有ると思いますけれど・・・。

 このフィルタの部品定数はアナデバ社が発行しているアプリケーションマニュアル通りの定数ですので、一応検証されていると思っても良いかも知れません。

 特性の劣化が感じられるならハイパス+ローパス型にするなど、考える方が良いかも知れませんね。 或は負荷インピーダンスを下げてコンプライアンス電圧の制限を受けないようにすると良いかも知れません。

実は、それどころか実装されているフィルタに問題があるらしく・・・いずれ詳しく報告させて頂く予定です。hi hi

JA2NKD/JA1 さんのコメント...

こんにちは。JA2NKD/松浦です。
AD9850ボードのフィルタも9851のマニュアル通りですが、20MHzを越えたあたりから下がり始め40MHzでは、-13.6dBm 50MHzでは-22.8dBmまで下がっています。フィルタのチップをはずし手持ちのチップに変えたところ40MHzで-5.4dBm 50MHzで-8dBmに改善しました。
 はずしたチップをLCメータで計るとそこそこの値なのですが。
 どうもインダクタが曲者のようです。
 基板の浮遊容量も数pF程度あるようです。
 ダイレクトに目的周波数帯のフィルタをつけたほうがよさそうですね。それでも価格、コンパクトさは魅力です。
 AD9851は以前実験したところでは、30MHz6倍よりも180MHz1倍のほうがスペクトラムがきれいでした。今回も180MHzのモジュールに交換してみる予定です。
 ebayではさらにコンパクトなAD9850ボードが出品されていました。

TTT/hiro さんのコメント...

JA2NKD/1 松浦さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 20MHzを越えたあたりから下がり始め40MHzでは・・・
インダクタが悪そうなことはわかっていました。積層チップインダクタのようですが、RFでQが下がるのでしょう。コンデンサも良質とは言えない感じです。基板や部品に物理的なサイズがある限り、残留Lやストレー Cがあるのは仕方ないでしょう。

> それでも価格、コンパクトさは魅力です。
DDS-IC+Clock OSC+変換基板代だと思うと腹も立ちちません。しかし、どうも中国的な品質のようですね。(爆)

なお、AD9850とAD9851のクロックに関してはご指摘の通りだと思います。

> ebayではさらにコンパクトなAD9850ボードが・・
e-Bayではありませんが、似たような格安ボードがあったので私が纏めて手配中です。予約者の分より余分に購入したので、私の手元に届いたらご希望のお方に(ごく少量ですが)頒布の予定でおります。(笑)

JA2NKD/JA1 さんのコメント...

加藤さん 了解です。

>似たような格安ボードがあったので私が纏めて手配中です。

もし余裕があるようでしたらお願いします。

TTT/hiro さんのコメント...

JA2NKD/1 松浦さん、再度今晩は。

了解しました。
届いたらまずは試してみて、大丈夫そうでしたらご案内しますのでお申し込みよろしく。数枚になる予定です。

JE1UCI さんのコメント...

こんばんは。

最近のバージョンではAD9850のユニットの発振器がPLLのに変わっていたという情報があります。
それでC/Nが悪いと・・

結局入手しやすい100MHzを使うか、AD9851では30MHzを6逓倍するかになってしまうんでしょうか・・?
私はちょっとオーバークロックで32MHzを使っていましたけど。

今日は秋葉原のAitendoに行ってみましたが、このAD9850のユニットは売り切れ中ですね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE1UCI 冨川さん、こんばんは。 今夜は冷えますねえ!

コメント有難うございます。
> 最近のバージョンでは・・・発振器がPLLのに・・・
その話しは初耳でした。(笑) SG-8002のようなプログラマブルなPLL発振器がクロックになっているのでしょうか? それだと確かにジッターが大きくてNGでしょうね。

> 6逓倍するかになってしまうんでしょうか・・?
私は高次オーバートーンでやってみたいですね。7次や9次なら思った以上に安定した発振が可能ですので。(笑) クロック周波数には端数が出ると思いますが、プログラム的な補正で何とでもなるでしょう。

> このAD9850のユニットは売り切れ中ですね。
ネットのうわさでブレークしているので、すぐ売り切れるのでしょうね。DDS-ICを買って作るより安いんですから・・・(笑)