Цель работы:
Закрепление у студентов знаний, полученных при изучении теоретического материала, приобретение навыков практического использования методов анализа и синтеза основных узлов аналоговых электронных устройств, методов оптимизации схемотехнических решений исходя из требований технического задания, формирование способности и умения обосновывать и отстаивать выбранные технические решения при проектировании, ознакомление с требованиями, предъявляемыми к разработке и оформлению конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры.
Задание на лабораторную работу
В ходе выполнения контрольной работы необходимо рассчитать синтезатор радиочастот, удовлетворяющий требованиям, приведенным в таблице 1. Номер варианта соответствует последней цифре студенческого билета.
Таблица 1. Исходное задание| Номер варианта | Минимальная частота (МГц) | Максимальная частота (МГц) | Шаг перестройки (кГц) | Использовать внешний ГУН |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 108 | 144 | 25 | да |
| 1 | 144 | 146 | 6,25 | да |
| 2 | 146 | 174 | 25 | нет |
| 3 | 146 | 174 | 12,5 | да |
| 4 | 300 | 336 | 25 | да |
| 5 | 300 | 336 | 12,5 | нет |
| 6 | 400 | 470 | 25 | нет |
| 7 | 400 | 470 | 12,5 | да |
| 8 | 890 | 915 | 200 | нет |
| 9 | 935 | 960 | 200 | нет |
В работе должны быть приведены
- Схема электрическая принципиальная (ее нужно разработать в соответствии с российскими ГОСТами на основе упрощенной схемы ADIsimPLL и DataSheet выбранных микросхем синтезатора частот, не забыть включить в состав схемы микросхемы стабилизаторов напряжения)
- Графики фазовых шумов синтезатора частот, его спектр в ближней зоне при воздействии токов утечки, зависимость частоты настройки ГУН от напряжения, график зависимости частоты от времени, график зависимости тока фазового детектора от времени
- Выводы по проделанной работе
Ход выполнения работы
Для облегчения расчета параметров элементов синтезаторов частоты компания Analog Devices выпустила программу моделирования ADIsimPLL [2], которую можно свободно загрузить с web-сайта: www.analog.com, заполнив анкету. После запуска программы на экран выводится окно, в котором рекламируется продукция, связанная с синтезаторами, например, микросхемы радиодиапазона, как это показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Окно запуска программы ADIsimPLL
Закрыть это окно можно нажав на кнопку "Continue". После этого появляется новое диалоговое окно. В нем предлагается провести урок работы с программой. Внешний вид этого окна приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Окно запуска обучающей системы программы ADIsimPLL
Если снять отметку в окошке "Run Tutorial", открывается следующее окно программы и можно приступать к процессу проектирования синтезатора частот. По умолчанию предлагается начать новый проект или открыть существующий. Это диалоговое окно показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Окно выбора файла разрабатываемого проекта
Интерфейс программы ADIsimPLL стандартный для Windows и обычно не требует пояснений. После выбора пункта меню "File/New" или после выбора создания нового проекта в диалоговом окне, показанном на рисунке 3, открывается окно диалога "Starting Options", в котором предоставляется выбор: сразу выбрать микросхему синтезатора частот, или определиться позже. Обычно выбор микросхемы осуществляют позже и здесь выбирают опцию "choose later". Внешний вид описанного диалогового окна приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Окно выбора микросхемы разрабатываемого синтезатора частот
Нажимаем на кнопку «Далее». После этого открывается окно выбора начальных условий разработки синтезатора частот "ADIsimPLL Starting Option". Это диалоговое окно показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Окно выбора начальных условий моделирования "ADIsimPLL Starting Option"
В окне следует выбрать одно из двух условий в каждом из трех пунктов:
- Назначение синтезатора The PLL has to:
- Формирование сигнала в диапазоне частот (перестраиваемый генератор) produce a range of equal spaced output frequencies или
- формирование сигнала фиксированной частоты (тактовый генератор для системы цифровой обработки сигналов или гетородин фиксированной частоты) produce a single output frequencies.
- Какой тип синтезатора проектировать The PLL is:
- c целочисленными коэффициентами деления частоты an Integer-N PLL или
- с дробными коэффициентами деления частоты an Fractional-N PLL.
- Следует ли проверять работу синтезатора SimPLL should:
- могут ли быть реализованы все частотные каналы check that all channels can be generated или
- не проверять, что все каналы могут быть реализованы not check that all channels can be generated.
В данной лабораторной работе мы, в соответствии с техническим заданием, выбираем формирование сигнала в диапазоне частот, проверку реализуемости всех частотных каналов и целочисленный коэффициент деления частоты. Это обусловлено тем, что нам не задана скорость перехода с одной частоты на другую, а выбор дробного коэффициента деления гарантированно приведет к появлению нежелательных составляющих в выходном спектре разрабатываемого генератора частот. Дробный коэффициент деления приходится выбирать, когда требуется очень быстро перестраиваться с одной частоты на другую. При этом придется вручную контролировать чтобы эти составляющие не превысили заданного в техническом задании значения. При превышении заданного значения проводить повторное проектирование с другим фильтром в цепи обратной связи ФАПЧ.
Рисунок 6. Диалоговое окно выбора диапазона перестройки частоты и шага по частоте
В этом же окне следует определиться с частотой опорного генератора. Это позволит программе ADIsimPLL проанализировать реализуемость перестраиваемого генератора и предложить нам на выбор только те микросхемы синтезаторов частот, которые будут удовлетворять заданным параметрам. Обычно задаются стандартными значениями частоты опорного генератора: 5 МГц, 10 МГц, 12,8 МГц или 6,4 МГц. Эти опорные генераторы предлагаются производителями. Изготовление генераторов с другими частотами придется у производителей заказывать, что обойдется многократно дороже.
После нажатия на кнопку "Далее" появляется диалоговое окно выбора микросхем синтезаторов, удовлетворяющих заданным нами параметрам. Внешний вид этого окна приведен на рисунке 7.
Рисунок 7. Диалоговое окно выбора конкретной микросхемы синтезатора частот
Здесь в соответствии с заданием, выбираем микросхемы либо с встроенным ГУН (в столбце VCO стоит "yes"), либо без него. В качестве дополнительных параметров используем ток потребления Icc (чем меньше, тем лучше) и уровень фазовых шумов "PN Floor" (чем меньше, тем лучше). Напряжение питания мы задаем внешними стабилизаторами, поэтому при выборе интегрального синтезатора это в современной технике не так важно. Проблемы будем решать при проектировании системы питания синтезатора. Вопрос выбора целочисленного "int-N" или дробного коэффициента деления "both" в цепи обратной связи обсуждался нами ранее.
После нажатия на кнопку "Ok" открывается диалоговое окно, показанное на рисунке 8.
Рисунок 8. Диалоговое окно дополнительных параметров синтезатора частот
Из этого окна можно вернуться к предыдущему выбору синтезаторов частот при нажатии на кнопку "Selector Guide" или просто выбрать нужную микросхему из выпадающего списка "Chip". Хочу заметить, что несмотря на то, что микросхемы HMC обладают лучшими характеристиками, для учебных целей лучше выбирать более старые микросхемы.
На этом этапе следует скачать себе на компьютер Datasheet, воспользовавшись кнопкой "View Online Datasheet". Этот документ потребуется нам в дальнейшем, а найти его через поиск не всегда удается. Затем, нажимая кнопку "Далее", переходим к диалоговому окну выбора типа фильтра в цепи обратной связи синтезатора частот. Пример этого окна показан на рисунке 9.
Рисунок 9. Диалоговое окно выбора фильтра в цепи обратной связи синтезатора частот
В данной лабораторной работе мы ничего не будем делать с фильтрами. Выберем простейший фильтр, который предлагает программа и нажмем на кнопку "Далее". Здесь, если мы выбрали синтезатор с внешним ГУН (VCO), появляется окно выбора внешнего ГУН. Пример такого окна приведен на рисунке 10.
Рисунок 10. Диалоговое окно выбора внешнего ГУН
Здесь проще всего выбрать ГУН из библиотеки "VCO Library". В выпадающем меню выбираем различные фирмы. И если фирма предлагает подходящий ГУН, то он появляется в выпадающем меню "VCO Model". Обратите внимание на диапазон управляющих напряжений (выделен красной стрелкой). Возможно синтезатор, выбранный Вами не сможет выдать необходимые напряжения. Проконтролируйте этот момент. Рядом, как и в предыдущем окне, есть кнопка "View Online Datasheet". Обязательно скачайте на компьютер Datasheet выбранного ГУН. Он потребуется при создании схемы электрической принципиальной.
Еще один вариант выбора ГУН, это нажать на кнопку "Search VCO Library". При этом появится диалоговое окно выбора внешнего ГУН по параметрам. Пример внешнего вида этого окна показан на рисунке 11.
Рисунок 11. Диалоговое окно выбора внешнего ГУН по параметрам
Определившись с выбором микросхемы генератора управляемого напряжением, нажимаем на кнопку "Далее" и переходим к выбору опорного генератора. Внешний вид диалогового окна выбора частоты опорного генератора приведен на рисунке 12.
Рисунок 12. Диалоговое окно выбора опорного генератора
К сожалению, такого функционала, как при выборе микросхем синтезаторов частот и генераторов управляемых напряжением, в этом окне нет. Поэтому ограничимся заданием частоты опорного генератора, а для поиска самого опорного генератора воспользуемся поисковой системой google.com. К сожалению, поисковая система Яндекс микросхемы ищет хуже, хотя что-то находит и она. В качестве опорных генераторов обычно применяют TCXO или MCXO с точки зрения их экономичности. Хотя в прецизионных телекоммуникационных устройствах могут быть применены и OVXO.
Теперь перейдем к выбору параметров фильтра в цепи обратной связи ФАПЧ. Это окно показано на рисунке 13.
Рисунок 13. Диалоговое окно выбора параметров синтезатора частот
Для выполнения лабораторной работы выбираем вариант быстрого запуска генератора "Fast Locking". Система при этом обычно выставляет полосу пропускания фильтра, равную одной десятой шага перестройки по частоте синтезатора частот, и фазовый сдвиг фильтра, равный 45°.
Нажав на кнопу "Готово" мы, наконец, закончим расчет высокостабильного перестраиваемого генератора (синтезатора частот). Программа ADIsimPLL при этом высветит основные параметры выходного сигнала на центральной частоте диапазона перестройки генератора (см. рисунок 14).
Рисунок 14. Основные параметры выходного сигнала генератора на центральной частоте
Теперь перейдем непосредственно к разработке принципиальной схемы синтезатора частот. Для этого переключимся к вкладке "Schematic", где мы увидим функциональную схему синтезатора частот. Пример такой схемы приведен на рисунке 15.
Рисунок 15. Функциональная схема синтезатора частот с внутренним ГУН
Пример схемы синтезатора частот с внешним ГУН показан на рисунке 16.
Рисунок 16. Функциональная схема синтезатора частот с внешним ГУН
Обратите внимание! это не принципиальная схема. Для ее получения потребуются datasheets всех использованных микросхем. Из них извлекается вся недостающая информация по потребляемым токам и всем необходимым для работы выводам микросхем. Для питания синтезатора частот, опорного генератора и, если необходимо, ГУН нужды дополнительные малошумящие стабилизаторы напряжения. Пример принципиальной схемы синтезатора частот с внутренним ГУН показан на рисунке 17.
Рисунок 17. Cхема электрическая принципиальная синтезатора частот с внутренним ГУН
Выходной сигнал в этой схеме снимается с конденсаторов C30 и C31, а управляется этот высокостабильный перестраиваемый генератор частоты от микроконтроллера через разъем X1.
Содержание отчета:
- Цель работы
- Порядок выполнения лабораторной работы
- Упрощенная схема, полученная программой ADIsimPLL
- Графики, иллюстрирующие качество выходного сигнала в частотной области
- Графики, иллюстрирующие через какое время качество выходного сигнала в частотной области достигнет заданного значения
- Полная схема электрическая принципиальная разработанного синтезатора частот
- Перечень элементов к принципиальной схеме синтезатора частот
- Выводы по лабораторной работе
- Список литературы
Контрольные вопросы
- Чем определяется стабильность частоты синтезатора.
- Чем определяется шаг перестройки по частоте.
- Чем определяется диапазон перестройки по частоте.
- Что такое фазовые шумы генератора частот.
- Что такое джиттер и на что он влияет.
- На что влияет выбор фильтра цепи обратной связи.
- Что такое фазовый компаратор.
- Что такое зарядовый насос.
- Как реализуется частотно-фазовый детектор.
- Когда в фильтре требуется операционный усилитель.
- Можно ли в процессе моделирования учесть параметры реальных операционных усилителей.
- Можно ли в процессе моделирования учесть параметры опорного генератора.
- От чего зависит полоса частот частотномодулированного сигнала.
- Отличия в работе целочисленного делителя частоты от дробного.
- Как выбирать опорный генератор для телекоммуникационных устройств.
- Как параметры синтезаторов частот влияют на параметры рации.
Дата последнего обновления файла 19.04.2020
