Схемы генераторов с фапч

Что такое петля фазовой автоподстройки частоты?

Большинство из нас видело фразу «петля ФАПЧ» (петля фазовой автоподстройки частоты) или «PLL» (phase-locked loop). Однако я подозреваю, что относительно немногие из нас полностью понимают 1) внутреннюю работу петли ФАПЧ и 2) как это внутреннее поведение приводит к различным способам использования ФАПЧ. Моя цель в данной статье – дать ясное, интуитивно понятное объяснение основных характеристик ФАПЧ, а подробности мы продолжим изучать в последующих статьях.

Термины «петля фазовой автоподстройки частоты» и «phase-locked loop» встречаются в разных контекстах: микроконтроллеры, радиочастотные демодуляторы, модули генераторов, последовательная связь. Первое, что нужно понять, это то, что «ФАПЧ» или «PLL» не относятся к одному компоненту. ФАПЧ – это система, она состоит из нескольких компонентов, которые тщательно спроектированы и связаны между собой в схеме отрицательной обратной связи. Это правда, что ФАПЧ (или PLL) продаются как одна интегральная микросхема, и поэтому было бы естественно думать о них как о «компоненте», но не позволяйте этому отвлекать вас от того факта, что петля ФАПЧ аналогична схеме усилителя на базе операционного усилителя, а не самому операционному усилителю.

ФАПЧ ≥ ФД + ФНЧ + ГУН

Давайте начнем со структурной схемы.

Структурная схема петли фазовой автоподстройки частоты Структурная схема петли фазовой автоподстройки частоты

Схема настолько проста, насколько простой может быть петля ФАПЧ. Давайте обсудим три основных компонента.

  • Фазовый детектор (ФД) (к сожалению) на самом деле не является фазовым детектором, но это стандартная терминология. Фазовый детектор в ФАПЧ фактически является детектором разности фаз, то есть он принимает два периодических входных сигнала и выдает выходной сигнал, представляющий разность фаз между двумя входными сигналами.
  • Выходной сигнал фазового детектора не является простым аналоговым сигналом, который пропорционален разности фаз. Простой аналоговый сигнал где-то там есть, но он идет вместе с высокочастотными составляющими, которые делают этот сигнал очень отличающимся от того, что вы ожидаете увидеть. Поэтому здесь используется фильтр нижних частот: он подавляет высокочастотные составляющие и преобразует выходной сигнал фазового детектора в нечто, что может контролировать генератор, управляемый напряжением (ГУН).
  • Генератор, управляемый напряжением, (ГУН), как вы уже догадались, это генератор, который управляется с помощью напряжения. Более конкретно, напряжением управляется частота периодического сигнала, генерируемого генератором. Таким образом, ГУН является генератором с переменной частотой, который позволяет внешнему напряжению влиять на частоту его колебаний. В случае ФАПЧ управляющее напряжение представляет собой сигнал фазового детектора после фильтрации.

Сигналы

Прежде чем мы обсудим работу отрицательной обратной связи, давайте перенесем это обсуждение в практическую сферу. Мы рассмотрим некоторые сигналы, создаваемые цифровой петлей ФАПЧ. Вы можете представлять ФАПЧ как преимущественно аналоговую систему, и это правильно, но экспериментировать с цифровой системой (на мой взгляд) проще. Необходимо помнить, что как к аналоговым, так и к цифровым реализациям применимы одни и те же понятия. Если вы понимаете, что происходит с этими цифровыми сигналами, вы понимаете сигналы ФАПЧ в целом.

В цифровой петле ФАПЧ всё, что нужно для фазового детектора, – это элемент «исключающее ИЛИ» (XOR). Как вы знаете, элемент исключающее ИЛИ выдает на выходе логическую единицу только тогда, когда два входных сигнала различаются между собой. Если вы распространите это поведение на ситуацию, в которой оба входных сигнала представляют собой прямоугольные сигналы, исключающее ИЛИ становится «детектором несовпадения фаз»:

Сигналы на входах и выходе элемента исключающее ИЛИ (фазового детектора) Сигналы на входах и выходе элемента исключающее ИЛИ (фазового детектора)

Эти два прямоугольных сигнала имеют небольшую разность фаз, и, следовательно, они находятся в разных логических состояниях во время небольшой части периода. Когда логические состояния различаются, на выходе элемента исключающее ИЛИ высокий логический уровень. Если разность фаз становится больше, выходной сигнал элемента XOR находится в состоянии логической единицы больше времени.

Сигналы на входах и выходе элемента исключающее ИЛИ (фазового детектора) при увеличении разности фаз входных сигналов Сигналы на входах и выходе элемента исключающее ИЛИ (фазового детектора) при увеличении разности фаз входных сигналов

Вот как элемент исключающее ИЛИ работает в качестве фазового детектора. Когда разность фаз увеличивается, выходной сигнал больше времени в течение периода находится в высоком логическом состоянии. Другими словами, коэффициент заполнения и, следовательно, среднее значение выходного сигнала элемента исключающее ИЛИ прямо пропорциональны разности фаз.

Следующим шагом является использование этого среднего значения в качестве управляющего сигнала для ГУН, и именно здесь появляется фильтр нижних частот:

Сигналы на входах и выходе фазового детектора и на выходе фильтра нижних частот Сигналы на входах и выходе фазового детектора и на выходе фильтра нижних частот

Зеленая линия, которая является средним значением с небольшим количеством пульсаций, получается путем пропускания сигнала с фазового детектора через простой RC фильтр нижних частот (вы можете узнать эту методику, если использовали ЦАП на ШИМ, который представляет собой цифро-аналоговый преобразователь, который работает путем низкочастотной фильтрации сигнала с широтно-импульсной модуляции). Этот сигнал помечен на графике как «ctrl» (control, управление), потому что это сигнал, который мы можем использовать для управления (то есть изменения частоты) ГУН.

Замыкание петли

ФАПЧ можно использовать различными хитрыми способами, но основная функция заключается в «привязке» выходной частоты к входной частоте. (Петли ФАПЧ также привязывают выходную фазу к входной фазе, как и следует ожидать от названия PLL, «phase-locked loop», «петля фазовой синхронизации», но это другой тип синхронизации.) Работа привязки/захвата/синхронизации становится возможной благодаря отрицательной обратной связи, то есть путем направления выходного сигнала назад на фазовый детектор (как показано на приведенной выше схеме).

По моему опыту, попытка полностью понять точный процесс, с помощью которого ФАПЧ фиксирует выходную частоту по входной частоте, похожа на попытку схватить кусок тумана и удержать его в руке. Это прямо перед вами, и вы знаете, что это реально, и вы более или менее знаете, что это такое, но оно ускользает, когда вы действительно пытаетесь наблюдать и понимать его. Этот процесс мы обсудим в следующей статье. А пока я оставлю вам несколько важных замечаний, которые помогут вам обдумать этот интересный принцип действия.

  • Фазовый детектор будет создавать в выходном сигнале постоянный коэффициент заполнения (и, следовательно, постоянное среднее значение), только когда две входные частоты равны (как в примерах выше). Различающиеся частоты приводят к периодическим изменениям коэффициента заполнения: Результат работы фазового детектора при входных сигналах 2 кГц и 1,67 кГц Результат работы фазового детектора при входных сигналах 2 кГц и 1,67 кГц Результат работы фазового детектора при входных сигналах 2 кГц и 1,25 кГц Результат работы фазового детектора при входных сигналах 2 кГц и 1,25 кГц
  • Следовательно, управляющее напряжение будет продолжать увеличиваться и уменьшаться, пока выходная частота не станет равной входной частоте.
  • Чтобы выполнить захват, петля ФАПЧ должна делать большее, что выравнивание выходной и входной частот. Также необходимо установить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, который приводит к соответствующему управляющему напряжению.
  • ФАПЧ не имеет возможности напрямую управлять фазой сигнала ГУН. Единственный способ подстраивать фазу ГУН – это подстраивать частоту; таким образом, изменения частоты будут продолжаться до тех пор, пока не будут достигнуты как синхронизация по частоте, так и синхронизация по фазе.

Заключение

Мы рассмотрели базовую структурную схему и некоторые подробности работы петли фазовой автоподстройки частоты, которая представляет собой систему с отрицательной обратной связью, и которая может генерировать периодический сигнал, который фиксируется и отслеживает частоту входного сигнала. Мы продолжим изучать работу и применение петли ФАПЧ в следующих статьях.

Микросхема 4046 (К564ГГ1) для устройств с удержанием резонанса — принцип работы

При создании силового электронного устройства с удержанием резонанса в LC-контуре, для синхронизации полученных колебаний с управляющими импульсами, идущими от драйвера, проектируют схему резонансного контроллера.

Задача данного контроллера — удержать резонансные колебания в LC-контуре посредством его возбуждения в такт собственным колебаниям. Чтобы этого добиться, контроллеру необходимо по цепи обратной связи получать от контура сигнал, содержащий данные о текущей частоте и фазе свободных колебаний в нем, после чего, с опорой на эти данные, поддерживать работу драйверного каскада синхронно с этими частотой и фазой, тогда и резонанс в контуре будет автоматически сохраняться.

Для построения такого контроллера подходит микросхема CD4046 или ее отечественный аналог К564ГГ1. Давайте рассмотрим устройство этой микросхемы, назначение ее выводов и схему подключения навесных компонентов, чтобы при необходимости понимать, с чем имеешь дело.

Микросхема CD4046

Данная микросхема позволяет легко организовать цепь ФАПЧ — фазовой автоподстройки частоты. Для построения ФАПЧ здесь используются три необходимых блока, расположенные внутри микросхемы: ГУН — генератор, управляемый напряжением, ФК — фазовый компаратор и ФНЧ — фильтр низкой частоты.

Микросхема 4046 (К564ГГ1) для устройств с удержанием резонанса

Встроенный в микросхему, ГУН выдает последовательность прямоугольных импульсов с заполнением 50%, то есть чистый меандр, начальная частота которого зависит от параметров двух RC-цепей: R1C1 и R2C2, присоединенных к нему снаружи микросхемы, а амплитуда в данном случае приближена к напряжению питания микросхемы U+.

Принцип работы ФАПЧ

Внешний входной сигнал fвх подается на микросхему, на самом деле — на один из входов фазового компаратора ФК (ФК1 или ФК2 — выбирает разработчик) внутри нее. На второй вход ФК параллельно подается меандр, вырабатываемый ГУНом. В результате, на выходе ФК получается прямоугольный сигнал, длительность импульсов в котором зависит от разницы между импульсами с ГУНа и внешними импульсами в каждый момент времени.

По сути, длительность выходных импульсов с ФК пропорциональна разности фаз двух сравниваемых сигналов. Дело в том, что в роли ФК часто используется логический элемент «исключающее ИЛИ», это значит, что на выходе ФК высокий уровень напряжения будет лишь в том случае, если между сигналами есть разница, а если разницы нет то на выходе с ФК будет низкий уровень напряжения или состояние бездействия.

Принцип работы ФАПЧ

С выхода ФК сигнал подается на фильтр низкой частоты, представляющий собой простую RC-цепь, на конденсаторе которой получается пульсирующее напряжение рассогласования, причем уровень пульсаций оказывается пропорционален разнице двух сигналов (от внутреннего ГУН и подаваемого на микросхему извне), по сути — разности их фаз.

Полученное на конденсаторе ФНЧ, напряжение рассогласования тут же подается обратно на вход ГУН, и в зависимости от его средней величины частота ГУН будет автоматически перестраиваться так, чтобы частота меандра на его выходе fвых приближалась бы к частоте внешнего сигнала, приходящего на микросхему извне. По достижении такой ситуации, среднее напряжение на конденсаторе фильтра низкой частоты будет наименьшим — это и есть признак наступления максимального сближения двух сигналов по частоте и фазе. Когда сигнал таким образом захвачен, он продолжит удерживаться петлей ФАПЧ.

Пределы перестройки ГУН

Как вы уже поняли, частота ГУН способна перестраиваться в пределах определенного диапазона автоподстройки. Данный диапазон задается внешними компонентами микросхемы. А скорость реакции системы ФАПЧ определяется постоянной времени НЧФ (величинами C2 и R3). По этой причине следует строго подходить к выбору навесных компонентов микросхемы.

Пределы перестройки ГУН

Напряжение питания микросхемы, конденсатор C1, а также резисторы R1 и R2 определяют диапазон автоподстройки частоты ГУН внутри микросхемы. Резистор R2 смещает минимальную частоту fmin ГУН выше от нуля. А соотношение между номиналами резисторов R1 и R2 определяет соотношение между максимальной и минимальной частотами — fmax/fmin, перестраиваемого выходного сигнала с ГУН.

Входы и выходы микросхемы

Вывод 4 — сигнальный выход ГУН, на нем в рабочем режиме меандр. Данный выход можно использовать для подачи сигнала к другим блокам проектируемого устройства.

Вывод 5 отвечает за включение и выключение ГУН. При подаче на данный вывод напряжения высокого уровня, микросхема отключится. При подаче напряжения низкого уровня (при подключении вывода 5 к общему проводу) — микросхема будет работать в штатном режиме.

Выводы 6 и 7. К ним подключается конденсатор C1 — это частотозадающий конденсатор ГУНа.

Вывод 8 — общий провод питания микросхемы.

Резистор R1 – между выводом 11 и общим проводом. Резистор R2 – между выводом 12 и общим проводом. Это частотозадающие резисторы. Резистор R3 фильтра НЧ – к выводу 9 и выводу 2 или 13 (о разнице между ними будет сказано далее), конденсатор C2 фильтра НЧ – между выводом 9 и общим проводом.

Вывод 10 — выход усилителя-повторителя. Напряжение на нем в процессе работы микросхемы — это напряжение рассогласования, подаваемое на ФНЧ. Вывод 10 предназначен для того, чтобы напряжение рассогласования можно было при необходимости просто выделить без шунтирующего воздействия на конденсатор ФНЧ. К этому выводу допускается подключить резистор сопротивлением более 10 кОм.

Вывод 15 — на нем находится катод встроенного стабилитрона с напряжением стабилизации 5,6 вольт (напряжение стабилизации этого стабилитрона может быть иным, что зависит от производителя микросхемы). Данный стабилитрон можно при желании использовать в цепи питания микросхемы.

Вывод 16 — плюс питания микросхемы.

Входы и выходы фазовых компараторов ФК1 и ФК2

Меандр с выхода ГУН берется с вывода 4 и подается на вывод 3, присоединенный через усилитель-формирователь к входам фазовых компараторов ФК1 и ФК2. При желании сигнал с ГУН можно дополнительно пропустить через делитель частоты.

Вход 14 — сигнальный, на него и подается входной сигнал, с которым необходимо синхронизировать выходной сигнал на выходе ГУН. В зависимости от характера входного сигнала, разработчик может выбрать, какой из фазовых компараторов использовать: ФК1 или ФК2, и к выбранному компаратору присоединить резистор ФНЧ (к выводу 2 или 13). У фазового компаратора ФК2 есть индикаторный вывод 1, на нем появляется напряжение высокого уровня, когда сигналы максимально синхронизированы.

Входы и выходы фазовых компараторов ФК1 и ФК2

Особенность ФК1 в том, что он представляет собой простой логический элемент «исключающее ИЛИ», и качество его работы зависит от параметров ФНЧ на его выходе. Работа начинается с центральной частоты f0=(fmax-fmin)/2, имеется возможность захвата гармоники центральной частоты. Обладает высокой помехоустойчивостью.

Входы и выходы фазовых компараторов ФК1 и ФК2

Особенность ФК2 в том, что он обрабатывает лишь положительные перепады подаваемых на него импульсов, и скважность импульсов поэтому не имеет значения. Работа начинается с минимальной частоты fmin, возможности захвата гармоники центральной частоты нет. Обладает низкой помехоустойчивостью. В ФНЧ требуется конденсатор с малым током утечки. ФК2 лучше подходит для использования в силовых схемах с LC-резонансом.

Выбор навесных компонентов

В качестве фильтра низкой частоты ФНЧ устанавливаются резистор R3 и конденсатор C2. Для корректной работы ФАПЧ, постоянна времени RC должна быть в десятки раз больше примерной частоты захвата ФАПЧ.

Выбор навесных компонентов

Как правило, частота захвата приблизительно известна разработчику, поэтому изначально задаются диапазоном автоподстройки частоты: fmin и fmax. По первой номограмме определяют, с учетом напряжения питания микросхемы и требуемого fmin, величины R2 и С1. Затем, по второй номограмме, исходя из требуемого соотношения fmax/fmin подбирают R1. Лучше предусмотреть возможность регулировки резисторов в схеме.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Схема цифровой ФАПЧ на трех ИС

Вебинар «Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок» (30.09.2021)

По совокупности основных характеристик эта простая конструкция не отличается от традиционных аналоговых схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), но, в отличие от последних, не содержит аналоговых компонентов, за исключением опорного генератора. Существует достаточно много цифровых схем ФАПЧ, включая и такие, в которых используются реверсивные счетчики, однако предлагаемый вариант проще и намного гибче всех остальных.

Изначально эта схема, разработанная более 30 лет назад, предназначалась для выделения потока данных из самосинхронизирующихся кодов, таких как Манчестерский или бифазный, в устройствах цифровой магнитной записи. Но очень скоро стало понятно, что сфера применения схемы может быть намного шире. Она успешно служила также в качестве основы сервоконтроллера лентопротяжного механизма с тахометром. В устройстве отсутствуют аналоговые микросхемы, следовательно, оно не нуждается в какой-либо настройке. Предлагаемая схема на протяжении многих лет использовалась в составе серийно выпускаемых изделий, поэтому говорить сегодня о патентной защите не приходится, и вы можете свободно распоряжаться ей по своему усмотрению.

В примере, показанном на Рисунке 1, для наглядности и простоты объяснения принципа работы, использованы всего три микросхемы. Связи между выходами счетчика 74161 и входами параллельной загрузки преобразуют микросхему в примитивное ПЗУ, содержащее таблицу перекодировки (см. Таблицу 1). На входе 16XREF должна быть последовательность прямоугольных импульсов с не слишком плохой симметрией, так как для нас важны события, порождаемые как передними, так и задними фронтами, а также время нарастания. Импульсы на ВХОДЕ не должны быть короче минимальной длительности, разрешенной для используемого типа D-триггера. В представленной схеме это 7474.

Рисунок 1. Для генерации выходного сигнала, отслеживающего входной, счетчик загружает собственные данные на свой вход.
Таблица 1. Перекодировка состояний счетчика в загружаемое значение

Для испытаний макета подайте на ВХОД импульсы с частотой примерно в 16 раз меньшей, чем 16XREF и, медленно изменяя эту частоту, наблюдайте за ВЫХОДОМ. Для этого потребуется генератор с плавной перестройкой, который позволит вам определить диапазон захвата в пределах чуть выше и ниже центральной частоты XREF. Дрожание фазы равно периоду частоты 16XREF, но ВЫХОД будет оставаться «привязанным» ко ВХОДУ при отклонении частоты на ±20%, или даже больше. Можете временно отключить вывод 9 счетчика, чтобы увидеть взаимное скольжение входных и выходных импульсов при близости частот. Вновь подключив вывод 9, вы инициируете захват частоты. При точном равенстве входной частоты одной шестнадцатой 16XREF на ВЫХОДЕ будет наблюдаться меандр, т.е. последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2. По мере отклонения частоты в ту или иную сторону от центрального значения, скважность будет становиться большей или меньшей 2.

В установившемся режиме счетчик считает постоянно, но из каждого нарастающий фронт сигнала на ВХОДЕ формируется импульс загрузки счетчика. Из Таблицы 1 можно заключить, что когда на счетчик приходит импульс загрузки, в счетчике всякий раз содержится число 7 или 8. Сигнал ошибки представляет собой разность между состоянием счетчика на момент прихода импульса загрузки и семью или восемью. В этом простом примере значение счетчика используется для того, чтобы уменьшить сигнал ошибки вдвое перед подачей его на вход загрузки.

Если частота сигнала на ВХОДЕ в точности равна одной шестнадцатой опорной частоты, но находится с ней в противофазе, т.е. сдвинута на 180°, то первый импульс загрузки может возникнуть, когда в счетчике будет число 15. Соответственно, счетчик будет установлен в 11, и продолжит счет с этого значения. Следующий импульс загрузки придет, когда в счетчике будет число 10, и в счетчик запишется 9. Последующие установки счетчика будут происходить, когда он досчитает сначала до 8, а затем до 7. Но когда импульс загрузки сформируется при состоянии счетчика «6», в счетчик опять будет записано число 7, и с этого момента произойдет захват частоты.

Если частота сигнала на ВХОДЕ немного ниже, чем одна шестнадцатая опорной частоты, импульсы загрузки будут приходить после того, как счетчик досчитал до 8. Например, в счетчике может быть число 12, при этом в него загружается 10. Но, поскольку входная частота слишком мала, к приходу следующего импульса загрузки в счетчике опять будет 12. Схема по-прежнему находится в режиме слежения, но старший сигнал на выходе старшего разряда счетчика удлиняется в соответствии с замедлением сигнала на ВХОДЕ. Точно такие же процессы происходят в схеме и в случае, если частота сигнала на ВХОДЕ слегка выше одной шестнадцатой опорной частоты. Единственное отличие заключается в том, что теперь сигнал в старшем разряде счетчика укорачивается.

Потеря синхронизма происходит в том случае, когда сигнал на входе INPUT настолько медленный, что к моменту прихода импульса загрузки счетчик успевает досчитать до 15, после чего начинает вновь проходить через состояния 0, 1 и т.д. Точно также, схема выйдет из режима слежения, если до прихода очередного импульса загрузки счетчик не успеет досчитать даже до нуля. Схема может захватывать сигналы с частотами кратными и дольными относительно опорной частоты 16XREF.

Если вы хотите иметь возможность управлять характеристиками захвата и уменьшить дрожание фазы, увеличьте разрядность счетчика и добавьте ПЗУ между выходами счетчика и входами его параллельной загрузки (Рисунок 2). С помощью программируемого ПЗУ (ППЗУ) можно, например, разделить ошибку на три или четыре, что позволит расширить полосу захвата. Кроме того, используя ППЗУ, можно вычитать из сигнала ошибки единицу или двойку, вместо того, чтобы делить его на два. Такой подход существенно сузит полосу захвата. Ненужные для загрузки счетчика выходы ППЗУ можно использовать для других целей.

Рисунок 2. Два счетчика и ПЗУ сделают схему ФАПЧ более совершенной и гибкой.

Поскольку импульс загрузки счетчика формируется в тот момент, когда сигнал ошибки уже доступен, запрограммировав в ПЗУ несколько дополнительных бит, вы сможете фиксировать возникновение ошибок, таких, например, как потеря слежения, или же получать информацию о том, что частота на ВХОДЕ выше, ниже или равна опорной частоте. Применительно к управлению двигателем, это будет означать, что нагрузка легкая, средняя или большая. Для других приложений можно запрограммировать еще одно ПЗУ, подключаемое параллельно первому, чтобы записать в него, например, таблицу значений синусоидальной функции. Подавая последовательность выборок из ПЗУ на ЦАП, можно синтезировать квази-синусоидальный сигнал для силового инвертора.

При использовании схемы в качестве серво контроллера двигателя лентопротяжного механизма, входным сигналом схемы ФАПЧ будет выход тахогенератора. Выделив один бит ПЗУ для формирования управляющего мотором сигнала ШИМ, можно увеличить глубину регулировки скважности. За счет предустановки в «0» старшего разряда ПЗУ (вход D3 верхнего по схеме счетчика 74161 заземлен) система в режиме слежения работает в нижней половине адресного пространства. Такое решение высвобождает верхние выходные линии ПЗУ, сигналы которых становятся управляющими для мотора.

При использовании 8-разрядного счетчика и ПЗУ объемом 256×8 бит появляется множество возможностей для оптимизации поведения мотора при изменении нагрузки. Запрограммировав первую строку ПЗУ, можно задать циклы работы счетчика, во время которых должны включаться и выключаться импульсы ШИМ, управляющие двигателем. При большой нагрузке мотор замедляется, позволяя счетчикам до каждой загрузки считать дольше, до чуть большего значения. В связи с тем, что счетчики перезагружаются позже, бит ШИМ ДВИГАТЕЛЯ дольше остается в состоянии «1», увеличивая коэффициент заполнения сигнала ШИМ для компенсации возросшей нагрузки. Точкой равновесия сервопривода являются числа 63/64, в результате чего в режиме слежения задействована только нижняя половина адресного пространства ПЗУ, а верхняя половина используется лишь при старте двигателя. Это позволяет, записав по старшим адресам «1» в бит ШИМ ДВИГАТЕЛЯ, дополнительно увеличить пусковой момент.

Схема цифровой ФАПЧ на трех ИС
Рисунок 3. Чтобы с помощью верхнего осциллографа наблюдать фазовое дрожание выходного сигнала при замкнутой петле ФАПЧ, для синхронизации можно использовать входной сигнал верхнего канала нижнего осциллографа.

Запрограммировав ПЗУ, вы сможете гибко подстраиваться под изменения нагрузки, варьируя полосу захвата или петлевое усиление. Управляя коэффициентом заполнения импульсов, вы сможете параметры регулирования привести в соответствие с кривой вращающего момента двигателя, а также контролировать величину пускового момента.

Фазовая модуляция радиосигнала в ПЛИС

Так иногда бывает, что занимаешься одной технической проблемой, но, по мере погружения в задачу и во время поиска ее решения, появляются «побочные продукты». Так случилось и в этот раз. Я исследовал различные методы измерения временных интервалов с помощью ПЛИС. В одном из предложенных методов измерений был использован динамический сдвиг фазы тактовой частоты с PLL. Позже пришла идея: используя свойства PLL можно попробовать сделать в ПЛИС простейший радиопередатчик с фазовой модуляцией.

И кое-что получилось!

Пожалуй нужно немного рассказать, что такое PLL. PLL (Phase Locked Loop) — это устройство фазовой автоподстройки частоты генератора. Выглядит примерно вот так:

Здесь есть ГУН — Генератор, Управляемый Напряжением. Он выдает желаемую частоту, которая через обратную связь идет на фазовый детектор. Фазовый детектор определяет разность фаз между опорной частотой F0 и получившейся частотой F1, разность фаз — это сигнал ошибки, который отфильтровывается и воздействует на ГУН, заставляя его колебаться чуть быстрее или чуть медленнее. Так, на выходе ФАПЧ получается частота, синхронная с опорной.

В микросхемах ПЛИС, например, от компании Интел (эх… когда-то была Альтера) серии MAX10 есть встроенный PLL, который выглядит вот так:

Кажется, что это что-то гораздо более сложное, чем то, что изображено выше. Но нет, если присмотреться внимательно, то видны общие черты: ГУН, Генератор Управляемый Напряжением — это VCO, Voltage Controlled Oscilator. PFD — это фазовый детектор, LF — Loop Filter, фильтр фазовой ошибки.

Кроме всего прочего, PLL внутри ПЛИС имеет набор счетчиков делителей. Например, делитель частоты M в цепи обратной связи позволяет получить на выходе PLL частоту в несколько раз выше, чем опорная. Так же имеются выходные счетчики C0-C4, которые позволяют на пяти выходах PLL получить сетку частот с разными делителями.

Есть внутри PLL еще компоненты, которые почему-то обычно не изображаются на структурных схемах в документации Altera/Intel — это схемы управляющие перезагрузкой и перенастройкой PLL. Логические схемы в ПЛИС могут на лету перезагружать коэффициенты счетчиков делителей в PLL и еще они позволяют сдвигать фазу выходных частот PLL. Конечно, перезагрузить на лету параметры PLL — это не очень простая операция, которая к тому же занимает определенное время. А вот сдвигать фазу выходной частоты PLL можно довольно просто и быстро. Причем, разрешающая способность по фазе напрямую зависит от частоты Fvco. Сдвигать фронт тактовой частоты можно на 1/8 периода Fvco. Например, входная частота на PLL Fin=100МГц, а делитель M в цепи обратной связи к фазовому детектору равен 13-ти. Тогда Fvco=1300МГц, а разрешение по фазе для выходной частоты PLL Fout=100МГц будет составлять всего 3,46 градуса.

Для разработки проекта для ПЛИС Altera/Intel используется среда САПР Quartus Prime и в ней есть средства настройки экземпляров PLL: Megawizard Plug-In Manager. С его помощью можно устанавливать нужные свойства PLL:

Здесь как раз и видно какие получаются Fvco и разрешение по фазе для выходных частот.

Для управления фазой выходных частот у компонента PLL есть дополнительные сигналы: SCANCLK, PHASESTEP, PHASEUPDOWN, PHASECOUNTERSELECT, PHASEDONE.

В документации Altera/Intel написано, как управлять этими сигналами, чтобы получить единичный сдвиг фазы на избранной выходной частоте.

Получается так: сигнал PHASEUPDOWN определяет в какую сторону нужно двигать фазу. PHASECOUNTERSELECT определяет сигнал какой именно тактовой частоты PLL будет сдвинут (например, если нужно сдвинуть частоту c1, то PHASECOUNTERSELECT=3’b011 — это есть в документации). Цикл сдвига фазы начинается с установки сигнала PHASESTEP и заканчивается, когда PLL выставит в ноль PHASEDONE. Если нужно сдвинуть фазу значительно, то придется выполнить несколько таких циклов. Все это при желании можно даже просимулировать в ModelSim, как это делается я писал вот здесь.

Теперь, дальше — интереснее. Плавно перехожу к моему «радиопередатчику»:

Я использую плату Марсоход3bis на чипе ПЛИС Altera/Intel MAX10. Плата имеет встроенный программатор на базе двухканального чипа FTDI. Причем один канал FT2232HL используется под JTAG (загрузка ПЛИС, отладка в SignalTap), а второй канал используется для передачи данных в плату, как последовательный порт.

К плате, прямо к двум цифровым пинам-выходам подключены два куска провода по 0,75 метра. Это антенна, «полуволновый вибратор». Без выходного аналогового фильтра на излучаемый диапазон, конечно, не хорошо, но сама антенна уже какой-то фильтр, да и мощность передатчика невелика…

Проект написан на языке Verilog HDL — всего-то пара десятков строк кода:

Весь проект для САПР Intel Quartus Prime можно взять на GitHub: github.com/marsohod4you/Fpga-PM-Radio.

В проекте есть PLL с двумя выходами c0 и c1, на каждом из них 100МГц. Выход c0 используется для тактирования всей схемы, а вот выход c1 — это и есть несущая 100МГц, частота моего «радиопередатчика» (FM-диапазон). Ее я и собираюсь модулировать по фазе.

Я собираюсь посылать сырой аудиофайл с компьютера в плату через последовательный порт. При формате данных 8 бит на одну аудиовыборку, моно, 22050Гц, наиболее удобна скорость последовательного порта 230400 бод. В самом деле, каждый байт при последовательной передаче имеет старт бит и один или два стоп бита. Если два стоп бита, то получается 11 передаваемых бит на байт данных. Значит 230400/11=20945 выборок в секунду. Это конечно не идеал, не 22050, но чуть-чуть похоже. Ну получится у меня звук немного ниже, чем нужно, мне для моих экспериментов не важно… Итак в проекте есть приемник последовательных данных.

Полученный из последовательного порта байт w_rx_byte внутри ПЛИС сравнивается с внутренней переменной (регистром) current_pll_phase. Разница меж ними — это и есть количество шагов по сдвигу фазы, которые нужно сделать в одну или другую сторону. Таким образом выполняется фазовая модуляция на выходе c1 у PLL.

Теперь второй вопрос. Предположим, что передатчик с фазовой модуляцией работает, а чем слушать?

Я исхожу из того, что ФМ и ЧМ непосредственно связаны друг с другом интегральным/дифференциальным законом. Мгновенная частота радиосигнала — это производная от его фазы. Производная синуса — это косинус. Вряд ли слушатель радиопередачи отличит их на слух (шутка). В общем, я решил попробовать передавать аудио файл моим «радиопередатчиком» с фазовой модуляцией, а слушать мою «радиопередачу» обычным FM-приемником. Я использую мобильный телефон с гарнитурой в качестве FM приемника.

Вот как это выглядит:

Удивительно, но передаваемая мной музыка устойчиво слышна в FM радиоприемнике мобильного телефона на расстоянии до 10-15 метров.

PS: В России 7 мая отмечается День радио. В 1895 году выдающийся русский физик и изобретатель Александр Попов в Санкт-Петербургском университете продемонстрировал созданную им первую в мире искровую беспроводную приемо-передающую радиосистему. В России этот факт был принят за точку отсчета начала радиосвязи.

Выбор оптимальных параметров ФАПЧ

Описанный метод нахождения подходящих по частоте конфигураций фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с целочисленными коэффициентами помогает выбрать оптимальные параметры петли.

Назначение синтезатора частоты заключается в генерации нужной выходной частоты на основе заданной частоты опорного сигнала. При этом связь между входной и требуемой выходной частотами не всегда очевидна. От коэффициентов деления в петле ФАПЧ зависит уровень шума и мощность потребления схемы. В некоторых случаях вопрос выбора оптимальных значений является одним из важнейших, особенно когда имеющееся оборудование уже не соответствует новым требованиям.
В статье представлен метод нахождения всех возможных конфигураций ФАПЧ (рассматриваются только контуры с целочисленными коэффициентами деления), удовлетворяющие заданные требования ко входной и выходной частотам. Далее предлагается критерий выбора наилучшей конфигурации для конкретной области применения.
Прежде чем искать оптимальную конфигурацию ФАПЧ, необходимо рассмотреть, как происходит подбор коэффициентов деления. Найдем все возможные конфигурации коэффициентов ФАПЧ, которые выдают требуемую выходную частоту, а затем выберем из них оптимальную.

Синтезатор частоты генерирует вы­ходной сигнал на основе частоты опорного сигнала:

где k — коэффициент деления частоты (нормированный множитель). Мы будем рассматривать только целочисленные значения k.
Коэффициент деления k формируется с помощью нескольких делителей, установленных в схеме ФАПЧ (см. рис. 1).

В общем случае используется три блока делителей: делитель опорной частоты (Q), делитель в петле обратной связи (P) и делитель выходной частоты (N). Легко показать, что коэффициент k для данного типа синтезатора частоты определяется следующим образом:

Из уравнений (1) и (2) получаем соотношение между входной и выходной частотами:

Показанная на рисунке 1 обобщённая модель упрощается, если коэффициенты N или Q равны единице. Если оба коэффициента приравниваются единице, то синтезатор может генерировать только частоты, кратные опорной. В этом случае значение Р определяется простым арифметическим соотношением. Если только один из коэффициентов Q и N равен единице, то для синтеза желаемой частоты требуется подобрать подходящую конфигурацию, которая определяется соотношением Q/P или N/P.
Использование всех трех делителей частоты позволяет задавать выходную частоту контура ФАПЧ программно. С другой стороны, в этом случае сложнее находить нужные значения P, Q и N — одна и та же выходная частота может быть получена с помощью различных сочетаний. При этом остальные характеристики контура ФАПЧ, такие как мощность потребления, время запуска, джиттер и фазовый шум, будут сильно различаться.
В программируемых системах на кристалле (СнК) возможны дополнительные конфигурации, когда используется несколько выходных делителей (см. рис. 2) для получения разных выходных частот, кратных частоте генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Перепишем формулу (3) так, чтобы все известные величины были в правой части уравнения, а неизвестные — в левой:

Итак, мы получили одно уравнение с тремя неизвестными. Обычно решение находится путем перебора различных сочетаний P, Q и N, которые дают требуемую частоту. По сути, это тройной вложенный цикл. Для наглядности работы такого алгоритма на рисунке 3 представлен концептуальный псевдокод. Он отражает только математическую реализацию без учета дополнительных требований, позволяющих получить только выполнимые на практике конфигурации.

Для иллюстрации рассмотрим пример. Пусть требуется синтезировать выходную частоту 50 МГц из опорного сигнала 14,3181818 МГц (стандартная частота видеосигнала). Предположим, ГУН имеет частотный диапазон 100…400 МГц. Используя алгоритм поиска, аналогичный показанному на рисунке 3, получаем результаты, представленные в таблице 1. Это список всех возможных конфигураций, которые будут соответствовать требованиям. Теперь из них необходимо выбрать лучший вариант.

N

fопорн, МГц

FГУН, МГц

Fвых, МГц

FФД, МГц

Q

P

Когда список всех конфигураций, которые отвечают требованиям по частоте, определен, следует приступать к выбору самой оптимальной. Универсальной оптимальной конфигурации нет, она полностью зависит от приложения. Для удаленной станции мониторинга, например, может потребоваться быстрый запуск, но не нужна высокая точность. Для протокола связи, наоборот, неважно время запуска и энергопотребление, однако требуется источник частоты с очень низким джиттером. В случаях, когда во время сбора данных важно только быстрое пробуждение, а во время передачи данных необходима высокая точность, могут иметь значение обе эти характеристики. Применение программируемых СнК и ФАПЧ позволяет реализовать любые требования, достаточно правильно выбрать конфигурацию.
Рассмотрим некоторые общие параметры ФАПЧ, оптимизированные для различных приложений. Список этих параметров приведен в таблице 2. Заметим, что не во всех программируемых ФАПЧ есть возможность доступа ко всем параметрам из данного списка.

Параметр

Основные параметры петли

Оптимизация

Частота ГУН (fГУН)

Ток генератора подкачки заряда (iГПЗ)

Коэффициенты деления (P, Q, N)

Минимизировать P, Q, N

Время включения и установления

Частота фазового детектора (fФД)

Ток генератора подкачки заряда (iГПЗ)

Емкость фильтра (С)

Коэффициент усиления ГУН (KГУН)

Джиттер (между циклами)

Частота фазового детектора (fФД)

Емкость фильтра (С)

Коэффициент усиления ГУН (KГУН)

Полоса частот при замкнутой ОС

Фазовый шум элементов ФАПЧ

Коэффициент деления выходного сигнала (N)

Использовать полосу для подавления шума опорного резонатора и ГУН

Потребляемая мощность определяется частотой ГУНа, током накачки заряда и параметрами делителей частоты. В большинстве ГУН для достижения более высоких частот требуются большие токи. Это означает, что при росте частоты увеличивается энергопотребление. Генератор подкачки разряжается один раз на цикл фазового детектора (ФД). При больших токах подкачки заряда увеличивается расходуемая за период ФД энергия. Самое большое потребление приходится на начало такта. При больших значениях коэффициентов деления требуется больше делителей, что также приводит к увеличению потребляемой мощности.

Время запуска и установления для ФАПЧ определяется собственной частотой петли. Этот параметр может рассматриваться как показатель скорости изменения частоты ФАПЧ. Он характеризует, насколько быстро может изменяться частота выходного сигнала ФАПЧ. Время запуска пропорционально усилению ГУН и току накачки заряда и обратно пропорционально емкости фильтра и коэффициенту деления в петле ОС. Таким образом, для минимизации времени запуска и установления необходимо увеличить коэффициент усиления ГУН и ток накачки, а коэффициент деления в контуре обратной связи и емкость фильтра, наоборот, установить в минимальное значение.

Основное влияние на джиттер системы оказывают частота фазового детектора и коэффициент усиления ГУН. При более высокой частоте ФД напряжение петли ФАПЧ обновляется с более высокой скоростью. Это предотвращает возникновение дрейфа напряжения в цепи. При использовании фильтра с большой емкостью количество дрожаний напряжения за период ФД становится минимальным. Поскольку коэффициент усиления ГУН определяет, насколько сильно изменяется напряжение выходного сигнала по отношению к изменению напряжения на фильтре, то чем ниже коэффициент усиления ГУН, тем менее чувствительна схема ФАПЧ к дрейфу напряжения фильтра.

Способ оптимизации фазового шума полностью зависит от приложения, поэтому мы ограничимся лишь общими замечаниями. Обычно фазовый шум, вносимый опорным резонатором, подавляется путем установки ФАПЧ близко к нижней границе полосы частот. Фазовые шумы, вносимые ГУН, наоборот, подавляются путем установки частоты ФАПЧ ближе к верхней границе полосы. Для уменьшения фазового шума удобно воспользоваться выходным коэффициентом деления N. Фазовый шум делится пропорционально коэффициенту выходного делителя. Если используется малошумящий выходной делитель, то фазовый шум можно уменьшить за счет увеличения частоты работы ГУН и увеличения коэффициента деления выходной частоты N.

Проиллюстрируем приведенные выше рассуждения примером. Если построение системы с низким энергопотреблением является главной задачей проектирования, то следует снизить частоту ГУН и значения коэффициентов делителей. В этом случае сочетание N = 3, Q = 21, P = 220 является наилучшим выбором. ГУН работает на низких частотах, коэффициенты P и Q имеют невысокие значения, а частота ФД имеет приемлемое значение.
Если требуется разработать устройство с минимальным временем запуска и установления, то как видно из таблицы 1, наиболее подходящей является конфигурация N = 7, Q = 9, Р = 220. За счет высокой частоты ФД обеспечивается достаточно высокая частота обновления напряжения фильтра.
Чтобы получить схему с низким джиттером, оптимальным будет использование набора коэффициентов N = 7, Q = 9, Р = 220. В данной конфигурации частота ФД более чем вдвое выше, чем при других. В результате частота обновления напряжения фильтра повышается. Соответственно, схема обладает наименьшим джиттером. Отличие оптимизации по джиттеру от оптимизации по времени запуска заключается в том, что для получения малошумящей схемы должны быть выбраны малые значения емкости и коэффициента усиления ГУН.
Оптимизация по уровню фазового шума в большой степени зависит от конкретного приложения, типа опорного генератора, а также шумовых характеристик ГУН. Из перечня конфигураций, который мы рассмотрели, видно, что выгоднее всего выбрать ГУН с высокой частотой и поделить ее. При этом набор N = 7, Q = 9, Р = 220 является оптимальным, поскольку для него частота ФД гораздо выше, чем для сочетания N = 8, Q = 63, P = 1760. Если в петле обратной связи наблюдается сильный шум, то уровень фазового шума значительно поднимается, сводя на нет весь выигрыш, обеспечиваемый выходным делителем.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: