CC BY
58
УДК 621.396
А.В. Рязанов
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Конструирование и технологии радиоэлектронных средств», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА ПЕРСПЕКТИВНОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТЫ
Аннотация. В данной работе рассмотрены вопросы разработки обобщенной структурной схемы перспективного цифрового вычислительного синтезатора частоты с применением самодиагностики, основанной на методе сигнатурного анализа.
Ключевые слова: синтезатор частоты, сигнатурный анализ.
A.V. Ryazanov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev
THE STRUCTURE OF PERSPECTIVE DIGITAL FREQUENCY SYNTHESIZER
Abstract. The author considers the questions of developing of generalised block diagramme of perspective digital calculation frequency synthesizer, with using of self-diagnostics, which is organised on a method of the signature analysis.
Keywords: frequency synthesizer, signature analysis.
В настоящее время в бортовых РЭС летательных аппаратов для нормального функционирования навигационных, связных и других систем необходимо наличие нескольких высокостабильных периодических гармонических сигналов различной частоты. Для решения этой задачи обычные генераторы неприменимы, так как имеют большие габариты и массу, и, кроме того, не могут обеспечить требуемой синхронности и стабильности частоты сигналов. Поэтому для указанных целей применяются цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС). Основы теории и техники вычислительного метода синтеза частот, заложенные зарубежными специалистами (А. Боли, В. Кроупом, Б. Гоулдом, Дж. Тирнеем, Р. Хоскиным, Н. Купером), успешно разрабатывались видными отечественными учеными Н.И. Чистяковым, В.В. Шахгильдяном, И.Н. Гуревичем, М.И. Жодзинским, В.Н. Кочемасовым и другими. Весомый вклад в это направление внесли ученые нижегородской (горьковской) школы синтеза частот: Ю.И. Алехин, Ю.К. Богатырев, В.И. Логинов, С.С. Сухотин, С.Я. Шишов, В.С. Станков, Н.П. Ямпурин.
В то же время, согласно современным требованиям Международного Авиационного Комитета, к эксплуатации не принимаются системы, не имеющие средств самодиагностики. Основы теории контролепригодности и диагностики систем при помощи сигнатурного анализа заложены в работах Р. Фроверка и Х. Надига и успешно развиты отечественными учеными П.П. Пархоменко, К.Г. Кирьяновым, У.С. Согомоняном и другими. Использование в авиационной технике ЦВС позволило существенно повысить технико-экономические показатели многих радиотехнических систем [1].
Основными узлами ЦВС являются [1]:
- вычислитель, формирующий код необходимой частоты K по коду Kf;
- цифровой накопитель (ЦН), формирующий на основе отсчетов опорной частоты и кода K, поступающего с вычислителя, цифровой код фазы синтезируемой частоты fc;
- функциональный преобразователь (ФП), осуществляющий переход от кода фазы к коду амплитуды синтезируемого колебания;
- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), на выходе которого, в соответствии с кодом амплитуды синтезируемого колебания, формируется ступенчатое аналоговое напряжение;
- фильтр низких частот (ФНЧ), осуществляющий функцию сглаживания ступенчатого сигнала, на выходе которого формируется синтезируемое гармоническое колебание.
Однако в современных условиях от бортовой радиоэлектронной аппаратуры требуется наработка на отказ порядка 30-40 лет [2]. Эти требования относятся и к устройствам цифровой обработки сигналов, поскольку они являются небольшой частью более сложной системы, «обязанной» работать без отказов, так как их последствия могут быть фатальными для связанного с ними объекта (пилотируемые летательные аппараты, космические корабли, системы управления оружием, и т.п.).
Исходя из того факта, что, как правило, разработчик ЦВС имеет ограниченные возможности влиять на величину интенсивности отказов, единственным реальным способом увеличения среднего времени безотказной работы ЦВС является придание этим устройствам свойств отказоустойчивости, т.е. способности выполнять требуемые функции, несмотря на отказы отдельных компонентов.
Известно несколько способов обеспечения отказоустойчивости, но для ЦВС обеспечение безотказной работы наилучшим образом реализуется при применении информационной избыточности [4, 5]. Известно, что на данный момент наилучшим способом организации самотестирования цифровой аппаратуры путем введения информационной избыточности является сигнатурный анализ (СА) [2, 3, 4].
Широкое применение сигнатурных регистров (СР) для тестирования интегральных схем объясняется незначительными аппаратными затратами на их реализацию и высокой обнаруживающей способностью. Функциональный принцип СА описан в работах [3, 4]. Применительно к ЦВС процесс получения сигнатуры предполагает задание некоторого фиксированного интервала времени «окна». На вход исследуемого объекта поступает последовательность тестового воздействия. Каждому биту входной тестовой последовательности соответствует один бит в выходной последовательности, снимаемой с контролируемого выхода. После закрытия «окна» в сдвиговом регистре фиксируется сигнатура, которая сравнивается с «эталонной» для контролируемого выхода. Эталонные сигнатуры получаются либо путем проверки заведомо исправных устройств, либо методом логического моделирования устройств на ПЭВМ.
Особенностью интегральных ЦВС является их неремонтопригодность, следовательно, вопрос обеспечения требуемого уровня качества при разработке и изготовлении ЦВС является актуальным. При изготовлении опытных образцов и в процессе серийного производства необходимо получать информацию не только о качестве производимых ЦВС, но и о качестве технологического процесса их изготовления.
Таким образом, БИС ЦВС должна содержать устройства самотестирования и диагностики [2], с помощью которых обеспечивается автоматизированный контроль ее параметров и, соответственно, повышается ее отказоустойчивость. Это позволяет, во-первых, сократить этап ее отладки при разработке, во-вторых, сделать серийное производство БИС экономически эффективным, и, в-третьих, облегчить контроль безотказной работы БИС в процессе ее эксплуатации, что особенно важно для связанных с ней систем.
В настоящее время наиболее перспективными системами синтеза частот являются ЦВС многоуровневых сигналов (ЦВС МС) [2]. Поэтому решение задачи создания самотестируемой БИС ЦВС наиболее актуально для синтезаторов этого типа.
Проведенный анализ различных методов самодиагностики цифровых БИС показал, что наиболее эффективным для ЦВС является метод сравнения с кодовым эталоном, описанный в [2].
Структурная схема отечественной БИС ЦВС многоуровневых сигналов описана в работе [2].
Поскольку приведенная схема отражает перспективы развития БИС ЦВС [2], она принята автором в качестве базовой для определения обобщенной структуры перспективных БИС ЦВС с целью решения задачи организации самотестирования (рис. 1).
ЭЕРО ЗЕГ-\ ЭЕС!
Рисунок 1 - Обобщенная структура перспективных самотестируемых БИС ЦВС
Для организации самотестирования этой схемы, с учетом изложенной выше теории, в состав схемы (рис. 1) включены устройства самотестирования и диагностики, с помощью которых обеспечивается автоматизированный контроль параметров БИС ЦВС. Самотестирование организовано по принципу, описанному в [2] (рис. 2).
При разработке способа тестирования учитывалось то, что в функциональный состав БИС ЦВС входят элементы памяти (ПЗУ). В отличие от ОЗУ эти элементы не могут быть протестированы при помощи общих способов тестирования ЦУ. Включение в состав БИС ЦВС дополнительных устройств для контроля элементов памяти снижает экономическую эффективность производства. Поэтому для тестирования разработанной БИС ЦВС используется метод генерации псевдослучайной тестовой последовательности. Входные тестовые кодовые последовательности формируются генератором тестовых воздействий и представляют собой псевдослучайные двоичные коды.
Для диагностики БИС ЦВС в ее работе отводится «окно». Периодичность проверки определяется управляющей схемой.
Рисунок 2 - Алгоритм работы устройства встроенного контроля на основе сигнатурного анализа
Рисунок 3 - Структурная схема МСА на основе модифицированного выходного регистра самотестируемой БИС ЦВС
В качестве генератора тестовых воздействий автор предложил использовать НК, что позволило упростить задачу проектирования устройств самодиагностики, сведя ее к проверке накопителя и выбору кодовых эталонов, т. е. констант подаваемых на вход НК.
При выборе констант, подаваемых на вход НК, будем исходить из того, что в формировании выходных кодов амплитуды синтезируемого колебания участвуют только 14 старших разрядов кода фазы.
Следовательно, для того, чтобы проконтролировать весь основной тракт ЦВС, достаточно выбрать период пересчета НК равным 16384. Это позволит проверить более 85 % узлов ЦВС, а именно: 14 старших разрядов НК; 11-и разрядный сумматор сдвига фазы в режиме суммирования с 0 (код сдвига фазы равен 0); регистр кода фазы; схему дополнения до косинуса на полном переборе сигналов; содержимое ФП «фаза-синус» (четыре прохода по всему адресному пространству); выходной регистр; схемы дополнения до синуса и косинуса.
При этом останутся непроверенными: 10 младших разрядов НК; сумматор сдвига фазы при работе с константой фазового сдвига, отличной от 0; триггер сдвига фазы на 180 градусов.
Для проверки НК и оставшихся непроверенными узлов ЦВС было предложено подать на вход НК и вход сумматора фазового сдвига чередующиеся коды: 0101...01 в течение первых 4-х тактов, 1010...10 в течение вторых 4-х тактов и в последние четыре такта - код 1111...11.
В результате предложенного автором алгоритма тестирования БИС ЦВС удалось осуществить функциональный контроль БИС в объеме, близком к 100 %.
В качестве анализатора в блоке самодиагностики автором применен параллельный многоканальный 12-разрядный сигнатурный анализатор (МСА). Выбор МСА в качестве анализатора обусловлен тем, что он может быть реализован на выходном регистре БИС ЦВС (рис. 3). Для этого достаточно ввести в структуру БИС ЦВС коммутатор и схему сравнения полученной сигнатуры с эталоном и сформировать сумму по модулю 2 на первых входах коммутатора путем подачи сдвинутого влево предыдущего состояния регистра.
Для обеспечения оперативного доступа к внутренним блокам ЦВС с помощью двух внешних сигналов организуются три сдвиговых регистра: на выходе блока НК, на выходе блока сумматора фазы и на выходе ФП. При этом вход тестовых кодов предложено совместить с входом сдвига фазы на 180о, а выход результатов тестирования осуществлять через коммутатор. Таким образом, с учетом модификации выходного регистра по схеме (рис. 3), структурная схема (рис. 1) является обобщенной структурной схемой перспективных самотестируемых БИС ЦВС. ЕЕ достоинством является то, что она, по сути, является инвариантной по отношению к конкретным конструкциям основных функциональных блоков ЦВС и может быть использована по отношению к различным конкретным схемотехническим решениям
В заключение отметим, что наличие в функциональном составе БИС ЦВС блока самотестирования и диагностики позволяет не только автоматизировать контроль БИС в процессе производства, но и решить задачу повышения отказоустойчивости устройств формирования частот и сигналов, выполненных на основе разработанной структуры БИС ЦВС.
Список литературы:
1. Рязанов, А.В Обеспечение отказоустойчивости цифровых вычислительных синтезаторов частоты /А.В. Рязанов, В.Л. Ягодкин // Вестник ПГТУ «Аэрокосмическая техника». -Пермь, 2000. - № 7. - С. 79-85.
2. Рязанов, А.В. Структура перспективного цифрового вычислительного синтезатора частоты в интегральном исполнении / А.В. Рязанов // Вестник Московского авиационного института. - М., 2007. - Т. 14, № 3. - С. 131-138.
3. Кирьянов, К.Г. К проектированию РЭА, ориентированной на диагностику сигнатурным анализом / К.Г. Кирьянов, Э.Б. Соловейчик // Техника средств связи. Серия «Радиоизмерительная техника». - 1980. - Вып. 1 (26).
4. Кирьянов, К.Г. К теории сигнатурного анализа / К.Г. Кирьянов // Техника средств связи. Серия «Радиоизмерительная техника». - 1980. - Вып. 2 (27).
