CC BY
121
Сабуров В.А. ©
Бакалавр, кафедра интегральной электроники и микросистем, Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники
РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ БИПОЛЯРНОГО 16-ТИ РАЗРЯДНОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Аннотация
В статье исследуется актуальность создания аналого-цифровых преобразователей с фазовой автоподстройкой частоты, а также освещен результат разработки отдельных блоков схемы в интегральном представлении.
Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, фазовая автоподстройка частоты Keywords: Analog-to-digital converter, Phase-locked loop
На сегодняшний день в современной электронике аналогово-цифровые преобразователи являются очень распространёнными функциональными узлами. Сфера их использования весьма широка и включает в себя как бытовую электронику (контроллеры стиральных машин, цифровые фотоаппараты), так и промышленную и военную электронику.
Подавляющее большинство приложений используют преобразователи низкой (8-10 бит) или средней (12-14 бит) разрешающей способности. Рынок обеспечивается ведущими производителями микросхем множеством моделей микросхем соответствующей разрядности, а также микроконтроллеров с АЦП и/или ЦАП на кристалле. Лидерами в этой области производства представлена широкая гамма недорогих аналого-цифровых и цифроаналоговых приборов, представленных в виде модуля (как правило, стандарта cPCI) или модуля с популярным интерфейсом (RS-232, RS-485, Ethernet). Таким образом, разработчики электронных систем имеют огромный выбор при необходимости ввода/вывода аналоговых величин в системе. Они могут использовать готовые приборы или встраивать в свою схему соответствующие микросхемы.
Однако множество приложений требуют высокого разрешения (16-20 бит) и/или точности. Электронная промышленность обеспечивает рынок микросхемами преобразователей высокой разрядности, а ведущие приборостроительные фирмы готовыми устройствами как аналого-цифровых, так и цифроаналоговых преобразователей. К несчастью, во многих приложениях использование готовых приборов весьма проблематично, вследствие несоответствия размеров, а также высокой стоимости производства.
Именно поэтому, на сегодняшний день, актуальна проблема разработки дешёвого и прецизионного АЦП с высоким разрешением и низким уровнем собственных шумов.
В статье предлагается Аналого-Цифровой Преобразователь (АЦП) с промежуточным преобразованием аналогового сигнала (напряжения) в длительность импульса с помощью контура Фазовой Автоподстройки Частоты (ФАПЧ) [1]. Система ФАПЧ используется для частотной и фазовой модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты (синтезаторы), частотной фильтрации или выделения опорного колебания для когерентного детектирования сигналов. Обычно, входным или выходным сигналом в устройствах с ФАПЧ является частота. ФАПЧ — это система управления с петлей отрицательной обратной связи, в которой параметрами регулирования являются частота (скорость изменения фазы на 360 угловых градусов за 1 секунду) или фаза сигнала, а не величина его напряжения или тока. В предлагаемом устройстве используется нестандартная схема включения ФАПЧ с дополнительным параметром регулирования по напряжению. Подробные описания
© Сабуров В.А., 2015 г.
принципа ФАПЧ можно найти в Интернете [2] и [3]. Ближайшим прототипом АЦП с ФАПЧ по составу является Синтезатор, который позволяет получить сетку стабильных частот. Одним из применений синтезаторов является использование их в качестве опорных генераторов в преобразователях радиочастотных сигналов [4]. На рисунках 1 и 2 показаны функциональные схемы Синтезатора и АЦП с ФАПЧ, соответственно.
Рис.1. Функциональная схема Синтезатора частоты
Рис.2. Функциональная схема АЦП с ФАПЧ
Предлагаемая схема АЦП с ФАПЧ содержит элементы Синтезатора, но в другом включении, и дополнительные элементы (на схеме обведены пунктиром):
- Источник Опорного Напряжения обязательный элемент АЦП, амплитуда выходных импульсов ФД равна Опорному Напряжению (Up), а длительность импульсов Тх равна фазовому сдвигу между сигналами F1 и F0;
- ФНЧ выполнен по схеме Пропорционально-Интегрирующего (ПИ) фильтра с дополнительным входом для подключения внешнего сигнала (Ux), который будет преобразован в двоичный код. Полярность входного сигнала Ux должна быть отрицательной для схемы Рис.2.
ПИ-фильтр делает систему ФАПЧ астатической, т.е. установившееся, среднее значение суммы токов от выходного сигнала ФД (иФД) и входного Ux всегда равно нулю. За счет интегратора и отрицательной обратной связи напряжение на входе ГУН поддерживается таким, чтобы F1 = F0, а фазовый сдвиг Тх между сигналами F1 и F0 определяется выражением (1);
Tx = T1*Ux /Up, (1)
где T1 период частоты F1, Ux-входное напряжение, Up - опорное напряжение АЦП.
- ОЗУ хранит текущее значение двоичного кода, запись кода производиться в момент переднего фронта импульса сигнала F0.
- Фазовый Детектор (ФД) импульсного типа выполнен на логических элементах и имеет линейную выходную фазовую характеристику для обеспечения высокой точности преобразования.
Выходным сигналом Синтезатора является переменное напряжение определенной формы и требуемой частоты Бгун = N*F1. К этим параметрам предъявляются высокие требования к точности и их стабильности.
В АЦП с ФАПЧ сигналы 2-х генераторов частот F1 и F0 являются внутренними, их форма напряжений должна быть прямоугольной, чтобы обеспечить работу ФД импульсного типа. Так как ФД определяет временной интервал между передними фронтами импульсов F1 и F0, то скважность импульсов не влияет на точность измерения фазового сдвига.
Для грамотного применения ФАПЧ необходимо знать статические и динамические характеристики этого устройства. В Интернете [3] и [4] можно найти подробный вывод передаточной функции ФАПЧ для разного исполнения ФНЧ. На рисунке 3 показана блок-схема линейной модели АЦП с ФАПЧ в установившемся режиме, когда, после включения питания, переходный процесс (поиска и захвата частоты F1) закончился F0 = F1. Передаточные функции элементов схемы представлены в операторной форме.
Рис.3. Блок-схема линейной модели АЦП с ФАПЧ в установившемся режиме
Воспользуемся готовой формулой передаточной функции W(p) (математическое описание поведения динамической системы) ФАПЧ, в которой применен ПИ-фильтр [6]. Передаточная функция (5) соответствует колебательному звену 2-го порядка:
W(p)= 1/(р2+2^юпр+юп2), (5)
где р - комплексная переменная, которая может быть заменена на jro для построения АФЧХ устройства;
юп = 2л^п - собственная круговая частота полосы пропускания ФАПЧ в [рад/с];
Fп - собственная частота полосы пропускания ФАПЧ в [Гц] (частота переходного процесса контура ФАПЧ);
2 - коэффициент демпфирования (затухания переходного процесса) ФАПЧ.
На рисунке 4 [6] показаны логарифмические АЧХ ФАПЧ в относительных единицах собственной частоты для разных значений коэффициента затухания 2. Дополнительно, в [6] приведены выражения, которые связывают параметры передаточной функции ФАПЧ с параметрами устройств, входящих в схему преобразователя аналогового сигнала в длительность импульса.
юп2 = Кфд*Кгун / ТИ [рад/ с2], (6)
22, = Кп * (ТИ * Кфд*Кгун)1/2 , (7)
,где Кфд - постоянная коэффициента передачи ФД (В/рад) ;
Кгун - постоянная коэффициента передачи ГУН (рад/с*В);
Ти = R1*C1 Кп = R3/R1
постоянная времени интегратора ПИ-фильтра (c); пропорциональный коэффициент ПИ-фильтра;
Рис. 4. Логарифмические АЧХ звена 2-го порядка
АЧХ ФАПЧ соответствует низкочастотному фильтру 2-го порядка с частотой среза юп (рад/ с) (частотой переходного процесса) и наклоном (ослаблением) 20дб на декаду (6дб/октава). При проектировании преобразователя с ФАПЧ надо выбрать полосу пропускания устройства юп=2л*Бп и коэффициент демпфирования (затухания) £, на частотах выше частоты среза.
Определим расчетные параметры реального АЦП с ФАПЧ, который показан на рисунке 5.
Запишем параметры элементов реального преобразователя с ФАПЧ в буквенном выражении (см. Рис.12 и Рис.13): Кфд = Ир/2л; Кгун = 2nF0/Up; Ти = 1/F0 и F0= F1. Подставим буквенные значения параметров в формулы (6) и (7), получим простые (для инженерной оценки) формулы для расчета динамических характеристик преобразователя с ФАПЧ.
юп = F0 [рад/ с], (8)
Fп = F0/2n [Гц], (9)
■т II to (10)
Подставим в формулы (9) и (10) значения реального преобразователя с ФАПЧ, получим следующие значения:
- полоса пропускания преобразователя с ФАПЧ Fп = 244Гц/6,28 = 39 Гц;
- коэффициент демпфирования £, = 1/2 = 0,5.
Используя формулы (6) и (7), можно добиться желаемой характеристики переходного процесса преобразования входного сигнала, путем изменения параметров элементов схемы и частоты преобразования F1.
В рамках научной статьи [7], был изготовлен и испытан Макет 16- разрядного АЦП с ФАПЧ на микроконтроллере (МК) ATmega 16, который входит в состав отладочного набора Skit-Mega16 V2.0 фирмы «INEX». В состав набора входит буквенно-цифровой LCD дисплей ТС1602-А, D5 на Рис.3 макетное поле, на котором были собрана схема ФАПЧ.
Результаты проверки макета АЦП показывают, что отклонение показаний АЦП от показаний эталонного прибора В7-38 не превышают 0,02%. Это говорит о высокой линейности преобразования входного напряжения в длительность импульса с помощью ФАПЧ.
Разрешающая способность АЦП, при измерении напряжений более 2-х Вольт, в 10 раз выше, чем у вольтметра В7-38 (0,1мВ у АЦП и 1мВ у вольтметра В7-38).
Стабильность показаний АЦП не превышает ±ЕМР, это говорит низком уровне собственных шумов метода преобразования напряжения в длительность импульса с помощью ФАПЧ.
ATMEGA16
CLQCK=16000000
Рис.5. Принципиальная схема АЦП с ФАПЧ
На основе полученных данных было решено выполнить и протестировать блоки данного макета в интегральном исполнении.
Микросхема ФАПЧ имитирует работу двух стандартных микросхем 74HC4046A и осуществляет операции инверсии над сигналами IN1, IN2 и логического умножения над сигналами IN3 и IN4. Структурная схема устройства представлена на рисунке 6. В состав микросхемы входят:
- блок фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ1;
- блок фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ2;
-логический блок.
Блоки ФАПЧ1 и ФАПЧ2 имитируют работу двух микросхем 74HC4046A. В состав каждого блока ФАПЧх входят фазовый детектор (ФД) и генератор, управляемый напряжением (ГУН). Назначение выводов микросхемы ФАПЧ приведено в таблице 1.
Назначение выводов микросхемы ФАПЧ
Таблица 1
Номер вывода Название Назначение
1 CLR Вход инициализации логического блока
2 IN3 Вход логического блока
3 IN4 Вход логического блока
4 OUT3 Выход логического блока
5 FOUT1 Выходной сигнал генератора блока ФАПЧ1
6 GCI1 Вход генератора блока ФАПЧ1
7 GCO1 Вывод генератора блока ФАПЧ1 для подключения конденсатора
8 R01 Вход для задания тока управления генератора блока ФАПЧ2
9 CLR1 Вход инициализации блока ФАПЧ1
10 NTX1 Инверсный выход фазового детектора блока ФАПЧ1
11 TX1 Выход фазового детектора блока ФАПЧ1
12 BASE1 Вход для задания опорной частоты блока ФАПЧ1
13 F01 Вход фазового детектора блока ФАПЧ1
14 GND Общий 0В
15 F02 Вход фазового детектора блока ФАПЧ2
16 BASE2 Вход для задания опорной частоты блока ФАПЧ2
17 TX2 Выход фазового детектора блока ФАПЧ2
18 NTX2 Инверсный выход фазового детектора блока ФАПЧ2
19 CLR2 Вход инициализации блока ФАПЧ2
20 R02 Вход для задания тока управления генератора блока ФАПЧ2
21 GCO2 Вывод генератора блока ФАПЧ2 для подключения конденсатора
22 GCI2 Вход генератора блока ФАПЧ2
23 FOUT2 Выходной сигнал генератора блока ФАПЧ2
24 IN1 Вход логического блока
25 OUT1 Инверсный вывод сигнала IN 1
26 IN2 Вход логического блока
27 OUT2 Инверсный вывод сигнала IN2
28 VCC Общий 5 В
Предварительное расположение выводов микросхемы ФАПЧ приведено на рисунке 7.
TX2 BASE F02 GND F01 BASE TX1
17 L6 ID 14 13 12 11
Технологическим
NXT2 IB
CLR2 19
R02 20
GCO2 21
GCI2 22
FOUT2 23
IN1 24
п 18 14 1W
.g КН5503ХМ1 "
э-'
Н5503ХМ1 +е L
25 28 1 *И
10 NXT1 9 CLR1 В R01 7 GCO1 6 GCI1 ь FOUT1 4 OUT3
25 26 27 28 1 2 3
OUT1 IN2 OUT2 VCC CLR IN3 IN4
Рис. 7. Предварительное расположение выводов микросхемы ФАПЧ
Структурная схема блока ФАПЧх представлена на рисунке 8. В состав одного блока ФАПЧ входят фазовый детектор и генератор, управляемый напряжением. Структурная схема фазового детектора приведена на рисунке 9.
Рис.8. Структурная схема блока ФАПЧх
Рис.9. Схема фазового детектора (ФД)
Временные диаграммы функционирования блока ФД показаны на рисунке 10.
Рис.10. Функционирование блока ФД
На рисунке 11 приведены зависимости выходной частоты ГУНа от входного тока(а), напряжения питания(б) и температуры(в).
Рис.11. Зависимость выходной частоты ГУНа от входного тока(а), напряжения
питания(б), температуры(в)
Временные диаграммы, соответствующие работе одного блока ФАПЧ (рисунок 12), показаны на рисунке 13.
Рис.13 Результаты моделирования одного блока ФАПЧ
Благодаря нестандартному применению системы ФАПЧ и МК (без встроенного АЦП) удалось создать дешёвый и прецизионный АЦП с высоким разрешением и низким уровнем собственных шумов, а также получить предельные значения по быстродействию и разрешающей способности. На основе микросхемы БМК 5503 была создана схема АЦП 16 разрядов. Ток потребления микросхемы не более 1 мА, получена предельная точность АЦП.
Было определено, что АЦП с ФАПЧ является идеальным заграждающим фильтром помех, присутствующих во входном сигнале Ux, при условии, что частота помехи равна рабочей частоте преобразователя F1 или кратна этой частоте (2F1, 3F1 и т.д.).
Синхронизация рабочей частоты МК с частотой сети 50 Гц (с помощью ВЧ-генратора, делителя и другой системы ФАПЧ) позволяет подавить помехи во входном сигнале Ux на частотах кратных 50 Гц и повысить стабильность показаний.
Благодаря тому, что АЦП с ФАПЧ является идеальным заграждающим фильтром помех, возможно использование это устройство в качестве преобразователя выходного сигнала в цифровой код, например, индуктивного датчика с Фазо-чувствительным Выпрямителем (ФВ) на выходе. Обычно применяется НЧ-фильтр, для сглаживания пульсации выходного напряжения ФВ до уровня требуемой разрешающей способности АЦП. Это вносит большое запаздывание в систему контроля сигнала. Если применить АЦП с ФАПЧ на частоте F1 = Fmod, где Fmod частота модуляции (питания индуктивного датчика), то НЧ-фильтр не требуется, его функцию выполнит само устройство АЦПФ.
Современная технология ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема) является идеальным вариантом для создания АЦПФ в одном корпусе.
Литература
1. Журнал «СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» // «Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ» - 2012. - № 6.
2. В. Голуб - Система ФАПЧ и её применения // Рынок Микроэлектроники [электронный ресурс]. -Режим доступа: http://catalog.gaw.m/rndex.php?page=document&id=1478.
3. Контур фазовой автоподстройки частоты и его свойства // Теория и практика цифровой обработки сигналов [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dsplib.ru/content/ pll/pll.html
4. Микросхемы ФАПЧ и синтезаторы на их основе производства компании Analog Devices // Приднестровский портал радиолюбителей [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=669
5. П. Хоровиц, У. Хилл - Искусство Схемотехники // Перевод с английского под редакцией М.В. ГАЛЬПЕРИНА
6. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая Схемотехника, Москва «Мир», 1982 г.
7. В.Козак. Прецизионные аналого-цифровые преобразователи.// Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2006, N.4, с.35-37.
