JP2019062300A - 信号出力装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】DDSを用いつつ、DDSの動作周波数よりも高い周波数の信号を出力する。
【解決手段】信号出力装置1は、出力信号における複数の位相のうち、それぞれ異なる複数の位相から構成される位相群を複数生成する位相情報生成部41と、出力信号の位相と出力信号の波形の値とを関連付けた波形テーブルを参照して、位相群に含まれている複数の位相のそれぞれに関連付けられている波形の値を出力する複数のダイレクトデジタルシンセサイザ42と、複数のダイレクトデジタルシンセサイザ42から出力された複数の波形の値を、出力信号における複数の位相の順番に基づいてシリアル信号に変換する変換部43と、変換部43が変換したシリアル信号をデジタル/アナログ変換することにより出力信号を出力するDAコンバータ5と、を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、信号出力装置に関する。
従来、出力周波数を任意の周波数に変更可能なダイレクトデジタルシンセサイザ(DDS:Direct Digital Synthesizer)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2011−77910号公報
DDSは、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等のデジタル信号処理回路と、デジタル/アナログ変換器と、ローパスフィルタとを組み合わせることにより実現される。DDSから出力可能な出力信号の周波数は、サンプリング定理及びローパスフィルタの特性を考慮すると、FPGAの動作周波数の40%が上限となる。例えば、FPGAの動作周波数が約300MHzである場合、DDSから出力可能な出力信号の周波数の上限は、約120MHzとなる。しかしながら、より高い任意の周波数の出力信号を出力することが求められている。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、DDSを用いつつ、DDSの動作周波数よりも高い周波数の信号を出力することができる信号出力装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様に係る信号出力装置は、出力信号を出力する信号出力装置であって、前記出力信号における複数の位相のうち、それぞれ異なる複数の位相から構成される位相群を複数生成する位相情報生成部と、前記出力信号の位相と前記出力信号の波形の値とを関連付けた波形テーブルを参照して、前記位相群に含まれている複数の位相のそれぞれに関連付けられている前記波形の値を出力する複数のダイレクトデジタルシンセサイザと、前記複数のダイレクトデジタルシンセサイザから出力された前記複数の波形の値を、前記出力信号における前記複数の位相の順番に基づいてシリアル信号に変換する変換部と、前記変換部が変換した前記シリアル信号をデジタル/アナログ変換することにより前記出力信号を出力する出力部と、を備える。
前記位相情報生成部は、前記出力信号における複数の位相のうち、前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数に基づいて定められる間隔に対応する複数の位相から構成される前記位相群を複数生成してもよい。
前記位相情報生成部は、前記ダイレクトデジタルシンセサイザの動作周波数と、前記出力信号の周波数と、前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数とに基づいて定められる前記間隔に対応する複数の位相から構成される前記位相群を複数生成してもよい。
前記信号出力装置は、前記信号出力装置において動作させる前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数の設定を受け付ける受付部をさらに備え、前記位相情報生成部は、前記受付部が受け付けた個数に対応する位相を含む位相群を複数生成してもよい。
前記受付部は、前記出力信号の周波数に基づいて、設定可能な前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数を特定し、特定した個数以上の前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数の設定を受け付けてもよい。
前記受付部は、前記出力信号の周波数と、前記ダイレクトデジタルシンセサイザが出力可能な最大周波数との比に基づいて、設定可能な前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数を特定してもよい。
前記信号出力装置は、前記ダイレクトデジタルシンセサイザ、前記位相情報生成部、及び前記出力部として機能するデジタル信号処理回路をさらに備え、前記変換部は、前記デジタル信号処理回路において、前記ダイレクトデジタルシンセサイザ、前記位相情報生成部が動作する領域よりも高速処理が可能な領域において動作してもよい。
本発明によれば、DDSを用いつつ、DDSの動作周波数よりも高い周波数の信号を出力することができるという効果を奏する。
第1実施形態に係る信号出力装置の概要を示す図である。 第1実施形態に係る信号出力装置の構成を示す図である。 第1実施形態における位相の特定方法を説明する図である。 第1実施形態における出力信号と、複数のDDSが出力する信号の値と、変換部が出力するシリアル信号の値と、第1クロックと、第2クロックとの関係を示す図である。
<第1実施形態>
[信号出力装置1の概要]
図1は、第1実施形態に係る信号出力装置1の概要を示す図である。信号出力装置1は、位相情報生成部41と、ダイレクトデジタルシンセサイザ42(以下、DDS42という。)と、変換部43とを備え、正弦波の信号である出力信号を出力する。本実施形態において、DDS42は、N個(ただし、Nは2以上の整数)設けられている。本実施形態において、i(ただし、i=1、2、・・・、N)番目のDDS42は、DDS42−iと表現される。なお、図1では、説明を簡単にするためにDDS42が4個設けられている例について説明する。
図1に示すように、位相情報生成部41は、信号出力装置1が出力する出力信号における複数の位相のうち、それぞれ異なる複数の位相P1〜P4から構成される位相群PGを複数生成し、位相群PGに含まれる位相P1〜P4をN個のDDS42に出力する。
本実施形態における位相は、出力信号の1周期の波形における基準位置からの距離を示している。位相は、DDS42の動作クロックに対応する周期において、DDS42の個数だけ特定される。位相群PGは、図1に示すように、DDS42の動作クロックに対応する周期において特定される複数の位相を含んでいる。図1に示す例では、1つの位相群PGにおいて4つの位相P1〜P4が特定されていることが確認できる。なお、図1に示す例において、位相P1に付されている括弧内の番号は、位相群PGの順番を示している。
N個のDDS42のそれぞれは並列に動作する。N個のDDS42のそれぞれは、位相情報生成部41から出力された位相に対応する出力信号の波形の値を変換部43に出力する。図1に示す例では、DDS42−1〜DDS42−4が、それぞれ波形の値D1(1)〜D4(1)を出力していることが確認できる。
変換部43は、N個のDDS42のそれぞれから出力された波形の値を、出力信号に対応する位相の順番に基づいてシリアル信号に変換する。図1では、シリアル信号として、DDS42から出力された複数の波形の値(D1(1)、D2(1)、D3(1)、D4(1)、・・・)が出力されていることが確認できる。
このように、本実施形態に係る信号出力装置1は、N個のDDS42が並列に処理を行うことによって出力された波形の値を、出力信号の位相の順番に基づいてシリアル信号に変換して出力する。これにより、信号出力装置1は、DDS42を用いつつ、DDS42の動作周波数よりも高い周波数の信号を出力することができる。
続いて、信号出力装置1の構成について説明する。
[信号出力装置1の構成]
図2は、第1実施形態に係る信号出力装置1の構成を示す図である。図2に示すように、信号出力装置1は、分配器2と、記憶部3と、デジタル信号処理回路4と、DAコンバータ5と、ローパスフィルタ6とを備える。
分配器2は、外部から入力される、信号のサンプリングに用いられる基準信号に基づく信号をデジタル信号処理回路4とDAコンバータ5とに分配する。例えば、本実施形態では、分配器2は、基準信号を分周して得られる分周信号をデジタル信号処理回路4に出力するとともに、基準信号をDAコンバータ5に出力する。
記憶部3は、例えばPROM(Programmable Read Only Memory)である。記憶部3は、デジタル信号処理回路4が参照する各種設定値を記憶する。また、記憶部3は、1周期分の正弦波の波形の値を示す波形テーブルを記憶する。波形テーブルは、1周期分の正弦波の波形の各位相に対応するアドレスと、各位相における波形の値とを関連付けたテーブルである。
ここで、各位相に対応するアドレスは、例えば、PROMにおける連続したアドレスである。また、各位相に対応するアドレスのビット数は、予め設定された位相の分解能に対応しており、例えば48ビットである。この場合、出力信号の1周期が、248の位相に分解され、位相の分解能は1/248となる。
デジタル信号処理回路4は、例えば、FPGAである。デジタル信号処理回路4は、外部インタフェース(I/F)40と、位相情報生成部41と、N個のDDS42と、変換部43とを備える。
ここで、位相情報生成部41及びN個のDDS42は、デジタル信号処理回路4において、第1周波数の第1クロックに基づいて動作する。第1周波数は、例えば300MHzである。
また、変換部43は、デジタル信号処理回路4において、位相情報生成部41及びDDS42が動作する領域よりも高速処理が可能な領域において動作する。本実施形態において、変換部43は、第1周波数よりも高い第2周波数の第2クロックに基づいて動作する。例えば、第2周波数は、第1周波数の4倍の周波数であり、1.2GHzである。
外部インタフェース40は、受付部として機能し、外部から各種情報の入力を受け付ける。外部インタフェース40は、信号出力装置1から出力させる出力信号の周波数を示す情報の入力を受け付ける。
位相情報生成部41は、出力信号における複数の位相のうち、それぞれ異なる複数の位相から構成される位相群を複数生成する。具体的には、位相情報生成部41は、第1クロックの立ち上がりタイミングにおいて、出力信号における複数の位相のうち、DDS42の動作周波数と、出力信号の周波数と、DDS42の個数に基づいて定められる間隔に対応する複数の位相から構成される位相群を1つ生成する。位相情報生成部41は、第1クロックの立ち上がりタイミングにおいて、1つずつ位相群を生成することにより、それぞれ異なる時間に対応する複数の位相群を生成する。
出力信号の周波数をfout、DDS42の動作周波数をfDDS、DDS42の個数をN、出力信号の1周期の開始時点と終了時点の間の位相差をRとすると、複数の位相の間隔wは以下の式(1)に基づいて求められる。
Figure 2019062300
図3は、第1実施形態における位相の特定方法を説明する図である。以下、図3を参照しながら、位相情報生成部41による位相の特定方法を説明する。まず、本実施形態において、正弦波を示す波形は、図3に示すように位相の最小単位ごとに分割され、複数の分割位置のそれぞれに対応して位相が割り当てられている。位相情報生成部41は、式(1)に基づいて間隔wを算出する。
続いて、位相情報生成部41は、位相群に含まれる位相のうち、1番目の位相P1を特定する。位相情報生成部41は、例えば図3に示す基準位置に対応する位相を、初めて生成される位相群に含まれる1番目の位相P1と特定する。位相情報生成部41は、1番目の位相P1に対応するアドレスを特定する。
その後、位相情報生成部41は、1番目の位相P1を示すアドレスに対して間隔wを加算することにより、2番目の位相P2を示すアドレスを特定する。このように、位相情報生成部41は、直前に特定した位相を示すアドレスに対して間隔wを加算することにより次の位相を示すアドレスを特定する。位相情報生成部41は、特定した位相を示すアドレスが位相差Rに基づいて定められたアドレスの範囲を超える場合には、特定した位相を示すアドレスから位相差Rを減算することにより、位相を示すアドレスが予め定められたアドレスの範囲内に収まるようにする。
位相情報生成部41は、1つの位相群に含まれるN個の位相のそれぞれを、N個のDDS42に出力する。ここで、N個のDDS42のそれぞれには、識別番号が付されている。位相情報生成部41は、識別番号が若いDDS42から順に、特定された順番が早い位相のアドレスを出力する。例えば、位相情報生成部41は、i番目に特定された位相を、i番目のDDSであるDDS42−iに出力する。位相情報生成部41は、1つの位相群に対する位相の出力が完了すると、第1クロックの立ち上がりタイミングにおいて、次の位相群に対応する位相群に含まれる複数の位相を特定する。次の位相群に含まれる1番目の位相は、直前の位相群に含まれるN番目の位相に間隔wを加算することにより算出される。
図4は、本実施形態における出力信号と、複数のDDS42が出力する信号の値と、変換部43が出力するシリアル信号の値と、第1クロックと、第2クロックとの関係を示す図である。図4では、DDS42の個数が4個であり、出力信号の1周期の位相差が360°である場合を例として説明する。図4に示す波形WFは、出力信号の波形である。図4に示す例では、出力信号の周波数は、400MHzであるものとする。
位相情報生成部41は、式(1)に基づいて複数の位相の間隔を算出する。図4に示す例では、出力信号の周波数foutは400MHzであり、DDS42の動作周波数fDDSは300MHzであるから、複数の位相の間隔は120となる。したがって、位相情報生成部41は、動作開始時には、4つの位相として、0°、120°、240°、0°のそれぞれを示すアドレスを特定する。そして、位相情報生成部41は、0°に対応するアドレスを1番目のDDS42−1に出力し、120°に対応するアドレスを2番目のDDS42−2に出力し、240°に対応するアドレスを3番目のDDS42−3に出力し、0°に対応するアドレスを4番目のDDS42−4に出力する。
DDS42は、位相情報生成部41から位相を示すアドレスが出力されると、記憶部3に記憶されている波形テーブルを参照し、自身に対して出力された位相を示すアドレスに関連付けられている波形の値を特定する。そして、DDS42は、特定した波形の値を変換部43に出力する。これにより、N個のDDS42は、波形テーブルを参照し、位相情報生成部41が生成した位相群に含まれている複数の位相のそれぞれに関連付けられている波形の値を出力する。N個のDDS42は、波形の値を出力するための処理を並列して実行する。
図4に示す例では、i番目のDDS42−iが、出力信号の1つ目の位相群に対応して波形の値Di(1)を出力していることが確認できる。また、i番目のDDS42−iが、出力信号の2つ目の位相群に対応して波形の値Di(2)を出力していることが確認できる。
変換部43は、N個のDDS42から出力された複数の波形の値を、出力信号における複数の位相の順番に基づいてシリアル信号に変換し、DAコンバータ5に出力する。変換部43は、第2クロックの立ち上がりタイミングにおいて、N個のDDS42から出力された複数の波形の値のうち、1つの波形の値を、出力信号における複数の位相の順番に基づいて選択する。
例えば、変換部43は、図4に示すように、第2クロックの1回目の立ち上がりタイミングで1番目のDDS42から出力された波形の値を選択し、当該波形の値をシリアル信号に変換してDAコンバータ5に出力する。続いて、変換部43は、第2クロックの2回目の立ち上がりタイミングで2番目のDDS42から出力された波形の値を選択し、当該波形の値をシリアル信号に変換してDAコンバータ5に出力する。このように、変換部43は、第2クロックの立ち上がりタイミングにおいて、識別番号が若いDDS42から出力された波形の値から順番に選択し、当該波形の値をシリアル信号に変換してDAコンバータ5に出力する。
図4に示す例では、変換部43が、第2クロックの立ち上がりタイミングにおいて、1つの波形の値を選択し、シリアル信号として出力していることが確認できる。また、図4に示す例では、変換部43が、各位相群に対応し、1番目のDDS42−1から出力された波形の値から順番に波形の値を出力していることが確認できる。
なお、本実施形態では、変換部43の動作周波数(第2周波数)は、第1クロックの周波数の4倍であり、変換部43は、第2クロックの立ち上がりタイミングにおいて波形の値を選択してシリアル信号に変換したが、これに限らない。変換部43の動作周波数は、第1クロックの周波数の2倍であってもよい。この場合、変換部43は、第2クロックの立ち上がりタイミングと立ち下りタイミングのそれぞれにおいて波形の値を選択してシリアル信号に変換してもよい。
DAコンバータ5及びローパスフィルタ6は、出力部として機能し、変換部43が変換したシリアル信号をデジタル/アナログ変換することにより出力信号を外部に出力する。具体的には、DAコンバータ5は、基準信号に基づいて、変換部43が変換したシリアル信号を、デジタル/アナログ変換することにより得られるアナログ信号をローパスフィルタ6に出力する。ローパスフィルタ6は、DAコンバータ5から出力されたアナログ信号の低周波数成分を除去する。これにより、所定周波数の出力信号が生成される。ローパスフィルタ6は、低周波数成分が除去されたアナログ信号を出力信号として外部に出力する。
[第1実施形態の効果]
以上、第1実施形態によれば、信号出力装置1は、出力信号における複数の位相のうち、それぞれ異なる複数の位相から構成される位相群を複数生成する位相情報生成部41と、波形テーブルを参照して、位相群に含まれている複数の位相に関連付けられている複数の波形の値を出力する複数のDDS42と、複数のDDS42から出力された複数の波形の値を、出力信号における複数の位相の順番に基づいてシリアル信号に変換する変換部43と、変換されたシリアル信号をデジタル/アナログ変換することにより出力信号を出力するDAコンバータ5と、を備える。
このように、信号出力装置1は、複数のDDS42の動作周波数よりも高い周波数により動作する変換部43を用いることにより、複数のDDS42から出力された、出力信号の各位相に対応する波形の値を、当該位相の順番に基づいてシリアル出力する。これにより、信号出力装置1は、DDS42を用いつつ、DDS42の動作周波数よりも高い周波数の出力信号を出力することができる。
<第2実施形態>
[信号出力装置1において動作させるDDS42の個数の設定を受け付ける]
続いて、第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る信号出力装置1は、信号出力装置1において動作させるDDS42の個数の設定を受け付ける点で第1実施形態に係る信号出力装置1と異なる。以下に、第2実施形態に係る信号出力装置1について説明する。なお、第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
第2実施形態において、外部インタフェース40は、外部から、出力信号の周波数を受け付ける。外部インタフェース40は、受け付けた出力信号の周波数に基づいて、設定可能なDDS42の個数を特定する。
具体的には、外部インタフェース40は、受け付けた出力信号の周波数と、DDS42が出力可能な最大周波数との比に基づいて、設定可能なDDS42の個数を特定する。より具体的には、第1実施形態の式(1)に示す複数の位相の位相間隔に対応する時間間隔が、出力信号のナイキスト周波数に対応する周期よりも短い場合に、複数のDDS42が出力する波形の値に基づいて、出力信号を再現することができる。設定可能なDDS42の個数をNとした場合に、以下の式(2)が成り立つ。
Figure 2019062300
式(2)を変形することにより、設定可能なDDS42の個数Nは、以下の式(3)で示される。
Figure 2019062300
外部インタフェース40は、式(3)に基づいて設定可能なDDS42の個数を特定する。そして、外部インタフェース40は、特定した個数以上のDDS42の個数の設定を受け付ける。なお、外部インタフェース40は、ローパスフィルタ6のフィルタ特性を考慮して、設定可能なDDS42の個数を特定してもよい。
位相情報生成部41は、外部インタフェース40が受け付けた個数に対応する位相を含む位相群を複数生成する。位相情報生成部41は、受け付けた個数に対応する位相を示すアドレスのそれぞれを、受け付けた個数のDDS42に出力する。
[第2実施形態の効果]
以上のとおり、第2実施形態に係る信号出力装置1は、信号出力装置1において動作させるDDS42の個数の設定を受け付け、受け付けた個数に対応する位相を含む位相群を複数生成する。これにより、信号出力装置1は、外部からの設定に応じて、動作させるDDS42の個数を制御することができる。
また、信号出力装置1は、出力信号の周波数に基づいて、設定可能なDDS42の個数を特定し、特定した個数以上のDDS42の個数の設定を受け付けるので、出力信号を確実に再現して出力することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
例えば、第2実施形態では、信号出力装置1は、外部からの設定に応じて、動作させるDDS42の個数を制御したが、これに限らない。例えば、信号出力装置1は、上述の式(3)を満たすDDS42の最小の個数を特定し、当該個数のDDS42によって出力信号を出力させるようにしてもよい。これにより、信号出力装置1は、DDS42の個数を必要最小限として出力信号を出力することができるので、デジタル信号処理回路4における処理負荷を軽減することができる。
1・・・信号出力装置、2・・・分配器、3・・・記憶部、4・・・デジタル信号処理回路、40・・・外部インタフェース、41・・・位相情報生成部、42・・・ダイレクトデジタルシンセサイザ、43・・・変換部、5・・・DAコンバータ、6・・・ローパスフィルタ

Claims (7)

  1. 出力信号を出力する信号出力装置であって、
    前記出力信号における複数の位相のうち、それぞれ異なる複数の位相から構成される位相群を複数生成する位相情報生成部と、
    前記出力信号の位相と前記出力信号の波形の値とを関連付けた波形テーブルを参照して、前記位相群に含まれている複数の位相のそれぞれに関連付けられている前記波形の値を出力する複数のダイレクトデジタルシンセサイザと、
    前記複数のダイレクトデジタルシンセサイザから出力された前記複数の波形の値を、前記出力信号における前記複数の位相の順番に基づいてシリアル信号に変換する変換部と、
    前記変換部が変換した前記シリアル信号をデジタル/アナログ変換することにより前記出力信号を出力する出力部と、
    を備える信号出力装置。
  2. 前記位相情報生成部は、前記出力信号における複数の位相のうち、前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数に基づいて定められる間隔に対応する複数の位相から構成される前記位相群を複数生成する、
    請求項1に記載の信号出力装置。
  3. 前記位相情報生成部は、前記ダイレクトデジタルシンセサイザの動作周波数と、前記出力信号の周波数と、前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数とに基づいて定められる前記間隔に対応する複数の位相から構成される前記位相群を複数生成する、
    請求項2に記載の信号出力装置。
  4. 前記信号出力装置において動作させる前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数の設定を受け付ける受付部をさらに備え、
    前記位相情報生成部は、前記受付部が受け付けた個数に対応する位相を含む位相群を複数生成する、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の信号出力装置。
  5. 前記受付部は、前記出力信号の周波数に基づいて、設定可能な前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数を特定し、特定した個数以上の前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数の設定を受け付ける、
    請求項4に記載の信号出力装置。
  6. 前記受付部は、前記出力信号の周波数と、前記ダイレクトデジタルシンセサイザが出力可能な最大周波数との比に基づいて、設定可能な前記ダイレクトデジタルシンセサイザの個数を特定する、
    請求項5に記載の信号出力装置。
  7. 前記ダイレクトデジタルシンセサイザ、前記位相情報生成部、及び前記出力部として機能するデジタル信号処理回路をさらに備え、
    前記変換部は、前記デジタル信号処理回路において、前記ダイレクトデジタルシンセサイザ、前記位相情報生成部が動作する領域よりも高速処理が可能な領域において動作する、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の信号出力装置。
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