CC BY
95
УДК 621.37
йО!: 10.25206/1813-8225-2019-165-28-32
Г. А. КОЩУК1 И. А. ТИХОНОВ2 Б. А. КОСАРЕВ1
Юмский государственный технический университет, г. Омск
2АО «НПО Завод «Волна», г. Омск
ОПТИМИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ
В статье рассмотрено влияние различных конфигураций фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с целочисленными коэффициентами на параметры петли ФАПЧ синтезатора частоты. Показана возможность компьютерного прогнозирования таких параметров фазовой автоподстройки частоты, как энергопотребление, время запуска, джиттер и уровень фазовых шумов по выбору делителя частоты с генератора, управляемого напряжением на выход схемы.
Ключевые слова: синтезатор частот; ФАПЧ; генератор, управляемый напряжением; опорный генератор.
Введение. Назначение синтезатора сигналов заключается в генерации нужной выходной частоты на основе заданной опорной частоты [1]. При этом связь между входной и требуемой выходной частотами не всегда очевидна. Одним из наиболее распространённых методов синтеза частот является косвенный синтез на основе фазовой автоматической подстройки частоты. Основные базовые принципы работы синтезатора частоты с ФАПЧ подробно изложены в работе [2]. Различные схемотехнические решения и результаты моделирования по формированию синтезатора с ФАПЧ также детально рассмотрены в работе [3]. От коэффициентов деления в петле ФАПЧ зависят уровень шума и мощность потребления схемы [4]. В некоторых случаях вопрос выбора оптимальных значений является одним из важнейших, особенно когда имеющееся оборудование уже не соответствует новым требованиям. Генераторы с петлей ФАПЧ, спроектированные на основе современной элементной базы, характеризуются достаточно низким уровнем спектральной плотности фазовых шумов, обладают малыми массогабаритными характеристиками [5]. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), входящие в состав современного синтезатора частот, содержат собственную систему ФАПЧ [6]. Это позволяет повысить точность цифровой обработки аналоговых сигналов и уменьшить шумы АЦП. Таким образом, разработка методики оптимизации параметров ФАПЧ является актуальной задачей.
Цель работы — оптимизация параметров ФАПЧ синтезатора частот по выбору одного-единственного входного параметра схемы.
метод. В основе метода лежит нахождение всех возможных конфигураций ФАПЧ (рассматриваются только контуры с целочисленными коэффициентами деления), удовлетворяющих заданным требованиям к входной и выходной частотам [7].
Далее предлагается критерий выбора наилучшей конфигурации для конкретной области применения.
Для поиска оптимальной конфигурации ФАПЧ методом подбора рассматриваются все возможные конфигурации коэффициентов деления ФАПЧ, которые выдают требуемую выходную частоту, а затем выбирается из них оптимальная.
Синтезаторы с целочисленным коэффициентом деления. Структурная схема синтезатора частоты с ФАПЧ показана на рис. 1. Выходной сигнал формируется с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН), на основе частоты сигнала опорного генератора (резонатора):
f — kf
' ВЫХ ОП I
(1)
где к — коэффициент деления частоты (нормированный множитель).
Будем рассматривать только целочисленные значения к.
Коэффициент деления к формируется с помощью нескольких делителей, установленных в схеме ФАПЧ, рис. 1.
В общем случае исполизуых ся три блока делителей: делитель опортей частоты (О) с опорного генератора (резонатора) на фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ), делитель
f = f , f = f
ref оп' out ВЫХ
Рис. 1. Функциональная схема ФАПЧ
в петле обратной связи (Р) после ГУН на ФД и делитель выходной частоты (N1 после ГУН на следующее устройство. Коэффициент к для данного типа синтезатора частоты определяется следующим образом:
k _
Р
Q-N
Pf
р _ _ 1оп
ВЬ1Х Q ■ N
джиттер и фазовый шум, будут сильно различаться.
Поиск конфигураций ФАПЧ. Из формулы (3) следует:
P
(2)
Q ■ N
(4)
Из уравнений (1) и (2) полпчаем соотношение между входной и выххдной чгстотами:
(3)
Если коэффициерты N ьх Q равны единице, то синтезатор мождт генерировать только частоты, кратные опорной. В этом случае значение Р просто определится из (3). 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. Однако одна и та же выходная частота может быть получена с помощью различных сочетаний делителей P, Q и N. При этом остальные характеристики контура ФАПЧ, такие как мощность потребления, время запуска,
Три неизвестных переменных находятся путем перебора в трёх циклах различных сочетаний Р, О и N которые дают требуемую частоту.
Пример. Для иллюстрации рассмотрим пример из работы [1]. Пусть требуется синтезировать выходную частоту 50 МГц из опорного сигнала 14,3181818 МГц (стандартная частота видеосигнала). Предположим, ГУН можно выбирать в диапазоне частот 100...400 МГц.
Используя алгоритм поиска, описанный в предыдущем разделе, получаем результаты расчета. Это список всех возможных конфигураций, которые будут соответствовать частотным требованиям. Теперь из них необходимо выбрать лучший вариант.
Результаты расчета возможных конфигураций представлены в табл. 1.
Выбор оптимальной конфигурации. Выбор самой оптимальной конфигурации ФАПЧ полностью зависит от приложения [1]:
— для удаленной станции мониторинга, например, может потребоваться быстрый запуск, но не нужна высокая точность;
Результаты расчёта возможных конфигураций
Таблица 1
N гц W МГц W МГц W МГц Q P
2 14,318.. 100 50 0,227 63 440
3 14,318.. 150 50 0,682 21 220
4 14,318.. 200 50 0,227 63 880
5 14,318.. 250 50 0,227 63 1100
6 14,318.. 300 50 0,682 21 440
7 14,318.. 350 50 1,591 9 220
8 14,318.. 400 50 0,227 63 1760
Здесь: О — делитель опорного сигнала ((ОП); N — делитель сигнала с ГУН ((¡ТН) для получения частоты (ВЫ Р — делитель сигнала с ГУН на ФАПЧ для получения I.
2 3
делитель после ГУН на выход, N Рис. 2. Графики параметров
Рис. 3. Графики параметров
— для протокола связи, наоборот, неважно время запуска и энергопотребление, однако требуется источник частоты с очень низким джит-тером;
— для ускоренного сбора данных и высокой точности во время передачи этих данных могут иметь значение все параметры.
Применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) позволяет, в принципе, реализовать любые требования оптимальной конфигурации [8]. Однако к ФАПЧ, встроенной в качественную ПЛИС, выдвигаются новые требования:
— повышение выходной частоты и, соответственно, расширение набора значений реализуемых частот;
— достижение высокой стабильности выходных тактовых сигналов;
— возможность оперативной подстройки фазы;
— низкое потребление мощности [9].
В настоящее время ФАПЧ уже монтируются в составе отдельных микросхем, которые содержат детектор ошибки и два делителя (Q и P) с программируемыми коэффициентами делениями. Однако для работы микросхемы нужен внешний опорный генератор и ГУН, а также петлевой ФНЧ. Поэтому рекламный ход кампании Analog Devices по обозначению этих микросхем как синтезаторов (PLL Synthesizer) можно считать не вполне корректным [10].
В работе [1] подробно рассмотрено влияние элементов ФАПЧ на основные параметры: энергопотребление, время запуска, джиттер и уровень фазовых шумов.
Например, энергопотребление определяет-
ся частотой ГУН, током накачки заряда и значениями делителей частоты. Время запуска ФД и установления частоты ГУН определяется собственной частотой петли. Джиттер-дрожание и дрейф напряжения в цепи — зависит от частоты фазового детектора и коэффициента усиления ГУН. Фазовый шум полностью зависит от приложения.
Для учёта влияния элементов ФАПЧ на основные параметры синтезатора в программу вычисления делителей О, Р и N был добавлен блок вычисления относительных коэффициентов энергопотребления КЭ, времени запуска КТ, джиттера Кд и уровня фазовых шумов КфШ. В работе вычисленные коэффициенты показаны в виде графиков (рис. 2 и рис. 3) в зависимости от значения делителя N с ГУН на следующее устройство, как показано на рис. 1.
Пример оптимизации. В рассмотренном примере (табл. 1) оптимизация выглядит следующим образом:
— для системы с низким энергопотреблением следует снизить частоту ГУН и значения коэффициентов делителей. В этом случае сочетание N=3, О = 21, Р = 220 является наилучшим выбором. ГУН работает на низких частотах, коэффициенты Р и О имеют невысокие значения, а частота ФД имеет приемлемое значение;
— для системы с минимальным временем запуска и установления оптимальной является конфигурация с N=7, О = 9, Р = 220. За счет высокой частоты ФД обеспечивается достаточно высокая частота обновления напряжения фильтра;
— для схемы с низким джиттером, оптимальный набор коэффициентов: N=7, О = 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;
— для схемы с низким уровнем фазового шума подходит вариант ГУН с высокой частотой и соответствующим делителем Р: N=7, О = 9, Р=220. Частота ФД в этой конфигурации гораздо выше, чем для сочетания N=8, О = 63, Р=1760.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. В ходе работы было выполнено две задачи.
Задача 1.
Проанализировать конфигурацию изготовленного синтезатора № 1 на выходную частоту 100 МГц из опорного сигнала 10 МГц (выход с высокостабильного кварцевого генератора) с делителями N=О =1 и Р=10. Результаты расчета элементов ФАПЧ синтезатора № 1 на 100 МГц представлены в табл. 2.
Соответствующие графики зависимости параметров синтезатора №1 от делителя N (частоты ГУН, представлены на рис. 2.
Из рис. 2 для изготовленного синтезатора (N=1) следуют выводы:
— по энергопотреблению конфигурация для N=1 является оптимальной;
— фазовые шумы и джиттер максимальны;
— оптимальным вариантом по всем параметрам должна быть конфигурация при N=2 (^ =200 МГц, делитель Р с ГУН на ФД равен 20).
Результаты расчёта элементов ФАПЧ синтезатора № 1 на 100 мГц
Таблица 2
N Гц W МГц W МГц W МГц Q P
1 10 100 100 10 1 10
2 10 200 100 10 1 20
3 10 300 100 10 1 30
4 10 400 100 10 1 40
Результаты расчёта элементов ФАПЧ синтезатора № 2 на 100 мГц
Таблица 3
N ^ Гц W МГц W МГц w МГц Q P
1 0,000125 100 100 0,0000625 2 1600000
2 0,000125 200 100 0,0000625 2 3200000
3 0,000125 300 100 0,0000625 2 4800000
4 0,000125 400 100 0,0000625 2 6400000
5 0,000125 500 100 0,0000625 2 8000000
6 0,000125 600 100 0,0000625 2 9600000
7 0,000125 700 100 0,0000625 2 11200000
8 0,000125 800 100 0,0000625 2 12800000
Задача 2.
Проанализировать конфигурацию синтезатора № 2 на выходную частоту 100 МГц из опорного сигнала 125 Гц (выход со схемы цифровой обработки сигнала) для ГУН с частотой от 100 до 800 МГц. Результаты расчёта элементов ФАПЧ синтезатора № 2 на 100 МГц представлены в табл. 3.
Соответствующие графики зависимости параметров синтезатора № 2 от делителя N (частоты ГУН, ( ) представлены на рис. 3.
Из рис. 3 и данных табл. 3 оптимальный вариант синтезатора № 2 на 100 МГц по всем параметрам соответствует делителям N = 4 и 5:
Следовательно:
— по энергопотреблению оптимальны конфигурации с N=1—3;
— по фазовым шумам и джиттеру — конфигурация с N=6 — 8;
— оптимальным вариантом по всем параметрам должна быть конфигурация при N = 5 ((]УГН =500 МГц, делитель Р с ГУН на ФД равен 8х106).
В обоих вариантах синтезаторов коэффициент времени запуска КТ не меняется из-за пропорционального изменения делителя Р и ( при постоянном делителе О с опорного генератора ((оп).
Выводы.
1. Показана возможность компьютерного прогнозирования таких параметров ФАПЧ, как энергопотребление, время запуска, джиттер
и уровень фазовых шумов по выбору единственного элемента ФАПЧ синтезатора частоты — делителя частоты с генератора на выход схемы.
2. Разработана компьютерная модель прогнозирования с графическим представлением результатов.
Библиографический список
1. Майская В. Когда часть лучше целого // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2002. № 5 (79). C. 10—16.
2. Шапиро Д. Н., Паин А. А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981. 264 с.
3. Шахтарин Б. И., Федотов А. А. Анализ синтезатора частот с петлёй ФАП // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2014. № 2 (95). С. 53-62.
4. Мартиросов В. Е., Алексеев Г. А. Программная реализация системы фазовой автоподстройки частоты // Труды МАИ. 2013. Вып. 71. С. 1-16.
5. Баронов А. А., Шадский В. А. Особенности проектирования гетеродина с петлёй ФАПЧ Ku-диапазона // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2015. № 4 (160). С. 18-22.
6. Сизов М. АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты // Современная электроника. 2016. № 6. С. 2-5.
7. Mentze E. What is the best PLL configuration for your app-and how do you find it?. URL: https://www.embedded. com/design/industrial-control/4217828/What-is-the-best-PLL-configuration-for-your-app-and-how-do-you-find-it- (дата обращения: 00.00.2019).
8. Бормонтов Е. Н., Клюкин В. И., Быстрицкий С. А. Гигагерцовый генератор для интегрированной в ПЛИС си-
стемы ФАПЧ // Вестник Воронежского государственного университета. 2011. Т. 7, № 2. С. 130-133.
9. Бормонтов Е. Н., Клюкин В. И., Быстрицкий С. А. Стабилизация параметров выходного сигнала в системе ФАПЧ для ПЛИС // Радиолокация, навигация, связь: тр. XVI Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2010. Т. 1. С. 396-401.
10. Михалёв П. Микросхемы ФАПЧ и синтезаторы на их основе // Компоненты и технологии. 2006. № 4 (57). 48-53.
КощуК Галина Андреевна, ассистент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: galina_koshuk@mail.ru
Тихонов Игорь Анатольевич, инженер-конструктор отдела разработчиков АО «НПО Завод «Волна», г. Омск.
Адрес для переписки: kauk20000007@ro.ru КоСАРЕВ Борис Андреевич, инженер по специальности «Промышленная электроника». Адрес для переписки: BorisK_88@mail.ru
Для цитирования
Кощук Г. А., Тихонов И. А., Косарев Б. А. Оптимизация фазовой автоподстройки частоты синтезатора частот // Омский научный вестник. 2019. № 3 (165). С. 28-32. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-165-28-32.
Статья поступила в редакцию 18.03.2019 г. © Г. а. Кощук, и. а. Тихонов, Б. А Косарев
о
