Лабораторная работа 1. Разработка синтезатора частот с помощью программы ADIsimPLL

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 вариантаМинимальная частота (МГц)Максимальная частота (МГц)Шаг перестройки (кГц)Использовать внешний ГУН
010814425да
11441466,25да
214617425нет
314617412,5да
430033625да
530033612,5нет
640047025нет
740047012,5да
8890915200нет
9935960200нет

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.

Окно запуска программы ADIsimPLL
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.

Окно запуска обучающей системы программы ADIsimPLL
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.

Окно выбора файла разрабатываемого проекта ADIsimPLL
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.

Окно выбора микросхемы разрабатываемого генератора частот
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.

Окно выбора начальных условий моделирования синтезатора частот Starting Option
Рисунок 5. Окно выбора начальных условий моделирования "ADIsimPLL Starting Option"

В окне следует выбрать одно из двух условий в каждом из трех пунктов:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

Диалоговое окно задания параметров синтезатора частоты
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.

Список интегральных синтезаторов частот фирмы Analog Devices
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.

Параметры синтезатора частот
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.

окно выбора схемы фильтра высокостабильного генератора частоты
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.

окно выбора генератора управляемого напряжением
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.

Выпадающее окно выбора VCO
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.

окно выбора опорного генератора
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.

окно выбора параметров фильтра в цепи ОС синтезатора частот
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).

Основные параметры выходного сигнала в программе ADIsimPLL
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.

Вкладка Schematic в программе ADIsimPLL
Рисунок 15. Функциональная схема синтезатора частот с внутренним ГУН

Пример схемы синтезатора частот с внешним ГУН показан на рисунке 16.

Вкладка Schematic в программе ADIsimPLL
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.

принципиальная схема синтезатора частот с внутренним ГУН
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:

  1. Цель работы
  2. Порядок выполнения лабораторной работы
  3. Упрощенная схема, полученная программой ADIsimPLL
  4. Графики, иллюстрирующие качество выходного сигнала в частотной области
  5. Графики, иллюстрирующие через какое время качество выходного сигнала в частотной области достигнет заданного значения
  6. Полная схема электрическая принципиальная разработанного синтезатора частот
  7. Перечень элементов к принципиальной схеме синтезатора частот
  8. Выводы по лабораторной работе
  9. Список литературы

Контрольные вопросы

  1. Чем определяется стабильность частоты синтезатора.
  2. Чем определяется шаг перестройки по частоте.
  3. Чем определяется диапазон перестройки по частоте.
  4. Что такое фазовые шумы генератора частот.
  5. Что такое джиттер и на что он влияет.
  6. На что влияет выбор фильтра цепи обратной связи.
  7. Что такое фазовый компаратор.
  8. Что такое зарядовый насос.
  9. Как реализуется частотно-фазовый детектор.
  10. Когда в фильтре требуется операционный усилитель.
  11. Можно ли в процессе моделирования учесть параметры реальных операционных усилителей.
  12. Можно ли в процессе моделирования учесть параметры опорного генератора.
  13. От чего зависит полоса частот частотномодулированного сигнала.
  14. Отличия в работе целочисленного делителя частоты от дробного.
  15. Как выбирать опорный генератор для телекоммуникационных устройств.
  16. Как параметры синтезаторов частот влияют на параметры рации.

Дата последнего обновления файла 19.04.2020

Литература:

  1. Страница для скачивания программы ADIsimPLL
  2. Fundamentals of Phase Locked Loops (PLLs)
  3. Walt Kester Converting Oscillator Phase Noise to Time Jitter
  4. Mark Curtin and Paul O’Brien Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 1
  5. Харни Остин Разработка точной петли фазовой автоподстройки частоты с высоковольтным ГУН
  6. Голуб В. Несколько слов о системе ФАПЧ: фазовая автоподстройка частоты
  7. Mark A. Haney Design technique for analog temperature compensation of crystal oscillators, Blacksburg, Virginia, 2001
  8. Application Note Tutorial on TCXOs, Vectron International, url: https://www.vectron.com/products/literature_library/tutorial_on_tcxos.pdf
  9. Сайт фирмы Racon TCXO Overview
  10. Кварцевые генераторы: Термокомпенсированные Официальный сайт фирмы ОАО "Морион"
  11. Кварцевые генераторы Официальный сайт фирмы ОАО Пьезо
  12. Официальный сайт фирмы Silicon Laboratories
  13. Temperature Compensated Crystal Oscillator (TCXO / VCTCXO) Pericom® Semicondactor company
  14. http://www.synergymwave.com (Специализируется на производстве высококачественных ГУН и кварцевых генераторов)
  15. Опорные генераторы Сайт АО Омский научно-исследовательский институт приборостроения
  16. Я. Вороховский, В. Ильичев Высокостабильные малошумящие кварцевые генераторы Компоненты и технологии №8 2005
  17. Кварцевые генераторы: Термостатированные Сайт АО "Морион"
  18. Сайт фирмы Racon "OCXO and OCSO Overview"
  19. http://www.synergymwave.com (Специализируется на производстве высококачественных ГУН и кварцевых генераторов)
  20. http://www.ruknar.com/ РУБИДИЕВЫЕ ОПОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ
  21. microsemi.com/(производит малогабаритные стандарты частоты) Miniature Rubidium Atomic Clock
  22. http://quartzlock.com/(производит малогабаритные стандарты частоты) Rubidium-oscillators E10-MRX
  23. http://www.iqdfrequencyproducts.com/(производит опорные генераторы) Advanced Modules & Rubidium Oscillators

Вместе с лабораторной работой "Разработка синтезатора частот с помощью программы ADIsimPLL" выполняют:




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2019

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика