Разработка синтезатора частот. Бражников В.А. МПП-88. Курсовая работа. Курсовая работа Разработка синтезатора частот
 Скачать 308.1 Kb.
|
|
Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики Кафедра САПР Курсовая работа «Разработка синтезатора частот» Выполнил: студент группы МПП-88 Бражников В.А. Проверил: кандидат технических наук, доцент Микушин А.Н. Новосибирск, 2021 Техническое задание Провести расчет синтезатора радиочастот, удовлетворяющий требованиям, приведённым в таблице 1 по заданному варианту. Таблица 1 – Исходные данные Номер Варианта Минимальная частота (МГц) Максимальная частота (МГц) Шаг перестройки(кГц) Использовать внешний ГУН 3 146,0 174,0 12,5 нет В курсовой работе решаются следующие задачи: 1) Разработка электрической принципиальной схемы синтезатора частот на основе микросхемы от компании Analog Devices в соответствии с ГОСТ. 2) Анализ параметров синтезатора по графикам зависимостей фазовых шумов синтезатора, частоты настройки ГУН от напряжения, частоты от времени, а также спектр в ближней зоне при воздействии токов утечки и график зависимости тока фазового детектора от времени. 3) Выводы о проделанной работе. 1 Введение С развитием аналоговой и цифровой техники все чаще возникает задача реализации области частотного пространства для организации каналов связи и передачи информации. Для передачи информации на большие расстояния и сохранении качества передаваемого сигнала необходимо модулировать сигнал по частоте, для этого часто используют генераторы опорной частоты. В качестве высокостабильных генераторов частоты применяют кварцевые генераторы. В случае, если необходимо обеспечивать перестройку с одной частоты на другую используют синтезаторы частот. Синтезаторы частот являются высокостабильными источниками электрических колебаний в радиоприемниках, частотомерах, радиопередатчиках и множестве других устройств, где требуется настройка на различные частоты в широком диапазоне. Чтобы обеспечить стабильность синтезатора частот применяют схемы с фазовой автоподстройкой частоты или прямого цифрового синтеза (от англ. “Direct Digital Synthesizers”) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот значительно опережает классические электронные генераторы с перестройкой частоты, путем изменения параметров индуктивности или(и) ёмкости в LC-контурах. Синтезатор частот выигрывает по диапазону перестройки частоты, имеет практически мгновенное переключение на заданную частоты в отличии от LC цепей. Цифровые синтезаторы для получения нужной формы выходного сигнала и тактового(базового) сигнала используют цифровую обработку. Упрощенный алгоритм можно представить следующим образом: a) Посредством фазового аккумулятора создается цифровое представление сигнала b) Генерируется выходной сигнал (синусоидальной, прямоугольной и другой иной формы) с помощью цифро-аналогового преобразователя, ЦАП (от англ. “Digital Analog Converter” – DAC). Скорость генерации ограничена цифровым интерфейсом и достаточно высока, и сопоставима с аналоговыми схемами. Цифровые синтезаторы обеспечивают малый уровень фазовых шумов. К преимуществам относится высокое разрешение по частоте (ниже 1 Гц), определяемое длиной фазового аккумулятора. Недостатки цифрового синтезатора – ограниченный частотный диапазон и большие искажение сигнала. Если нижняя граница рабочего диапазона стремится к 0 Гц, то верхняя граница в соответствии с теоремой Котельников не может превышать половины тактовой частоты. Реконструкция выходного сигнала не может обойтись без применения фильтра нижних частот (ФНЧ). Негативным фактором является также высокое содержание нежелательных спектральных составляющих из0за ошибок во время преобразования в ЦАП. В данном случае, цифровой синтезатор можно представить как частотный смеситель, что генерирует нежелательных спектральные составляющие на комбинационных частотах, частоту нежелательных продуктов легко вычислить наперед, однако амплитуду гораздо сложнее предугадать. С увеличением тактовой частоты увеличивается и амплитуда паразитных спектральных составляющих, как следствие ограничение диапазона генерируемых частот. Активное применение получили синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Зачастую в конструкции синтезатора имеется перестраиваемый генератор, управляемый напряжением или ГУН (от англ. “Voltage Controlled Oscillator” – VCO). Сигнал после деления по частоте подводится ко входу фазового детектора, ФД (от англ. “Phase Detector”). Другой вход ФД подключают к источнику опорного сигнала (от англ. “reference”), частота которого равна требуемому частотному шагу. ФД сравнивает сигналы на обоих входах и генерирует сигнал ошибки. После фильтрации и при необходимости усиления, подстраивает частоту ГУН к частоте вычисляемой по формуле 𝑓 = 𝑓 𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑁, (1.1) где f ref – частота опорного сигнала на входе фазового детектора. Главными преимуществами схем на базе ФАПЧ являются чистый спектр выходного сигнала, благодаря эффективному использованию ФНЧ и меньшей сложности устройства по сравнению с аналоговыми синтезаторами. К основному недостатку можно отнести большое время перестройки и больший уровень фазового шума по сравнению с аналоговыми схемами. Фазовый шум синтезатора в пределах полосы пропускания фильтра можно вычислить по формуле 𝜆 = 𝜆 𝑃𝐷 + 20log N, (1.2) где 𝜆 𝑃𝐷 - пересчитанный ко входу фазового детектора суммарный уровень фазовых шумов опорного сигнала, фильтра и усилителя цепи обратной связи (ОС). Функциональная схема ФАПЧ приведена в соответствии с рисунком 1.1 Рисунок 1.1 – Схема фазовой автоподстройки частоты Уменьшить суммарный коэффициент деления можно, если вместо целочисленных коэффициентов деления использовать дробные, то есть делить частоту на N+1 каждые M периодов сигнала и делением на N в течении остального промежутка времени. Усредненный коэффициент деления равен 𝑁 + 1 𝑀 , (1.3) где N и M – целые числа. Использование дробного коэффициента позволяет получить более высокую частоту сравнения на входе фазового детектора, что приводит к уменьшению фазового шума и увеличению скорости перестройки частоты. Однако, главным недостатком применения дробного деления является большее содержание негармонических спектральных составляющих из-за фазовых ошибок, присущих дробному делению. 2 Расчет синтезатора частот фирмы Analog Devices с помощью программы ADSimPLL С целью более точного расчета параметров элементов синтезаторов частоты компании Analog Devices выпустила программу моделирования ADSimPLL, которая находится в свободном доступе. Основная особенность данной программы заключается в расчете элементов синтезатора частот таким образом, что на резонансных частотах коэффициент усиления подбирается меньше единицы. В соответствии с техническим заданием расчет будет с целью формирование сигнала в диапазоне частот. Необходимо проверить реализуемость всех частотных каналов и целочисленный коэффициент деления частоты. Выбор дробного коэффициента, как уже ранее указывалось приводит к появление нежелательных продуктов в выходном спектре разрабатываемого генератора частот. Для упрощения схемотехнической реализации в курсовой работе выбор микросхемы будет основываться на наличии встроенного ГУН. В качестве синтезатора частот с ФАПЧ была выбрана микросхема ADF4351 компании Analog Devices. 2.1 Основные параметры микросхемы ADF4351 Основные параметры микросхемы ADF4351 подробно описаны в источнике [1]. Диапазон генерируемых частот: от 35 МГц до 4400 МГц. Тип коэффициента деления: целочисленный. Низкий уровень фазовых шумов ГУН. Программируемый коэффициент деления частоты: 1/2/4/8/32/64 Джиттер: 0.3 пс Напряжение питания: (3.0 – 3.6) В 2.2 Структурная схема на базе ADLsimPLL Схема приведена в соответствии с рисунком 2.2.1 Рисунок 2.2.1 – Структурная схема 2.3 Основные параметры выходного сигнала генератора на центральной частоте В ходе моделирования были получены основные параметры микросхемы ADF4351. Параметры микросхемы приведены в соответствии с рисунком 2.3.1 Рисунок 2.3.1 – Параметры полученные в ходе моделирования 2.4 Частотные характеристики микросхемы Графики зависимостей частотных параметров микросхемы ADF4351 приведены в соответствии с рисунками 2.4.1 – 2.4.5 Рисунок 2.4.1 – График зависимости спектра шумов от частоты Рисунок 2.4.2 – АЧХ и ФЧХ при разрыве ООС Рисунок 2.4.3 – АЧХ и ФЧХ при наличии ООС Рисунок 2.4.4 – График зависимости фазовых шумов на выходе микросхемы Рисунок 2.4.5 – График зависимости модуляции амплитуды и фазы от частоты 2.5 Временны характеристики микросхемы Временные графики зависимости микросхемы ADF4351 приведены в соответствии с рисунками 2.5.1, 2.5.2, 2.5.3 и 2.5.4 соответственно. Рисунок 2.5.1 – Частотно-временная характеристика Рисунок 2.5.2 – Фазовая ошибка на выходе от времени Рисунок 2.5.3 – Частотная ошибка от времени Рисунок 2.5.4 – Ошибка фазового детектирования 2.6 Параметры элементов схемы Графики зависимостей параметров генератора, управляемого напряжением, приведены в соответствии с рисунками 2.6.1 и 2.6.2 Рисунок 2.6.1 – Фазовый шум ГУН от частоты Рисунок 2.6.2 – График зависимости частоты от напряжения График зависимости фазового шума опорного генератора приведен в соответствии с рисунком 2.6.3 Рисунок 2.6.3– График зависимости фазового шума опорного генератора 2.7 Принципиальная схема синтезатора частот с внутренним ГУН Принципиальная схема синтезатора частот на основе микросхемы ADF4351 приведена в соответствии с ФМТС.ХХХХХХ.003 Э6, перечень элементов схемы приведен в соответствии с ФМТС.ХХХХХХ.003 П6. 3 Вывод В курсовой работе приведены частотные, временны параметры синтезатора частот. Приведены графики зависимости параметров, встроенного генератора, управляемого напряжением, построена принципиальная схема синтезатора частот в соответствии с ГОСТ и оформлен перечень элементов схемы. Список использованной литературы 1. Analog Devices, Wideband Synthesizer with Integrated VCO ADF4351/ URL: https://www.analog.com/en/products/adf4351.html#product-overview 2. Analog Devices, Ultrahigh PSRR RF Linear Regulator LT3042/ URL: https://www.analog.com/en/products/lt3042.html 3. MicroChip, Standard TCXO VT820-EFE5070/ URL: https://www.microchip.com/wwwproducts/en/VT-820 4. Леонид Ридико, Компоненты и техноогии. – 2001 г. - №7. Доступ по URL: http://ra3ggi.qrz.ru/UZLY/dds.htm 5. Digteh /Микушин А.В./Синтезаторы частот. Доступ(свободный) URL: https://digteh.ru/WLL/synt.php 6. Digteh /Микушин А.В./Разработка синтезатора частот с помощью программы ADLsimPLL. Доступ(свободный) URL: https://digteh.ru/SxemSovrTKU/lab/1/ 7. Wikipedia. Voltage-controlled oscillator/ URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage-controlled_oscillator |