eng
Выпуск #8/2016
М.Сизов, Н.Малашевич, Р.Федоров
АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты
АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты
Просмотры: 4868
Описывается новый тип АЦП с ФАПЧ. Представлена функциональная структура разработанного устройства. Рассмотрены особенности АЦП с ФАПЧ.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.40.47
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.40.47
В настоящее время разработка электронных устройств ведется с использованием микроконтроллеров (МК), содержащих в своем составе один или несколько аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). АЦП, входящие в МК, иногда не удовлетворяют требованиям по точности и шумовым характеристикам. В связи с этим в научно-производственном подразделении "Дозор" был разработан новый тип АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [1].
Ближайшим прототипом АЦП с ФАПЧ является синтезатор стабильных частот. Подобные синтезаторы находят применение в качестве опорных генераторов в преобразователях частоты, электронных музыкальных инструментах и во многих других устройствах. На рис.1 показана функциональная схема синтезатора частоты.
Выходным сигналом синтезатора является переменное напряжение с частотой FГУН = N · F1. К точности и стабильности частоты предъявляются высокие требования.
В АЦП используется промежуточное преобразование аналогового сигнала (напряжения) в длительность импульса с помощью контура ФАПЧ [1]. Подробное описание принципа работы ФАПЧ приведено в [2, 3].
Функциональная схема АЦП на основе ФАПЧ представлена на рис.2. АЦП с ФАПЧ содержит элементы синтезатора и дополнительные элементы (на схеме обведены пунктиром). Основными являются следующие функциональные блоки:
• источник опорного напряжения – обязательный элемент АЦП. Амплитуда выходных импульсов фазового детектора равна опорному напряжению Up, а длительность импульсов Тх равна фазовому сдвигу между сигналами F1 и F0;
• фильтр низкой частоты (ФНЧ), выполненный по схеме пропорционально-интегрирующего (ПИ) фильтра с дополнительным входом для подключения внешнего сигнала (Ux), который преобразуется сначала в длительность импульса, а потом в двоичный код;
• ПИ-фильтр, обеспечивающий астатизм системы ФАПЧ, то есть установившиеся средние значения напряжения выходного сигнала фазового детектора UФД и входного сигнала Ux всегда равны. За счет интегратора и отрицательной обратной связи напряжение на входе ГУН поддерживается таким, чтобы частоты сигналов F1 и F0 были равными. Фазовый сдвиг Tx между сигналами F1 и F0 определяется выражением
Tx = T1 · Ux / Up, где T1 – период частоты F1, Ux – входное напряжение, Up – опорное напряжение АЦП;
• ОЗУ для хранения текущего значения двоичного кода. Запись кода производится в момент переднего фронта импульса сигнала F0;
• фазовый детектор (ФД) импульсного типа, выполненный на логических элементах и имеющий линейную выходную фазовую характеристику для обеспечения высокой точности преобразования.
В АЦП с ФАПЧ сигналы двух 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 этих импульсов не влияет на точность измерения фазового сдвига.
В научно-производственном подразделении "Дозор" в 2012 году была проведена разработка 15-канальной системы сбора информации для летающей лаборатории на базе 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ1 и АЦП с ФАПЧ, параметры которой приведены в табл.1.
АЦП с ФАПЧ является следящей системой с астатизмом второго порядка. Установившееся значение ошибки в таких устройствах равно нулю, точнее – напряжению смещения на входе ОУ +Ux / Косс, где Косс – коэффициент ослабления синфазной составляющей ОУ. Например,
ОУ 140УД31АТ, имеющий входное напряжение смещения 25 мкВ и коэффициент ослабления синфазной составляющей более 110 дБ, гарантирует преобразование напряжения Ux = 5 В в длительность импульсов с погрешностью менее 0,002%. Номиналы резисторов R1 и R3 (рис.2) должны быть одинаковыми (±5%) для компенсации входных токов ОУ. Элементы R2, R4, С1 и С2 не влияют на точность.
Напряжение на выходе ОУ управляет частотой и фазой ГУН. Так как ГУН является вторым интегрирующим элементом в контуре ФАПЧ, то он реагирует только на постоянную составляющую этого сложного по форме сигнала.
Сигналом обратной связи в схеме АЦП является выходной сигнал ФД – прямоугольный импульс, площадь которого (среднее значение напряжения за период частоты преобразования F1) равна входному напряжению Ux. ФД изготовлен на БМК серии 5503. Длительность выходного импульса ФД может быть менее 1 нс.
Разрешающая способность АЦП с ФАПЧ определяется быстродействием (элементной базой) схемы ФД и тактовой частотой МК или счетчика, который формирует сигнал F1. Предельные рабочие частоты МК и логических элементов уже достигли уровня 1 ГГц и выше. Важно отметить большие потенциальные возможности АЦП с ФАПЧ. При этом устройство содержит только один прецизионный элемент – операционный усилитель (ОУ), остальные же элементы (резисторы и конденсаторы) могут иметь разбросы значений характеристик ± (5–10)%.
Возможности АЦП с ФАПЧ на базе 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ1Т с тактовой частотой 140 МГц проверены и представлены в табл.2.
С целью уменьшения габаритов разработанного макета АЦП с ФАПЧ, в 2015 году по заказу НПП "Дозор" в НПК "Технологический центр" была разработана и изготовлена микросхема БМК 5503ХМ1У-651 двухканального ФАПЧ. Микросхема имеет 28 выводов, питающее напряжение 5 В и выполнена по КМОП-технологии с нормами 1,6 мкм. На рис.3 показана микросхема 5503ХМ1У-651 в корпусе МК 5123.28-1.01.
Одна микросхема 5503ХМ1У-651 заменяет более 30 микросхем стандартной логики на дискретных элементах, которые входят в состав ФАПЧ и служат для построения его компонентов. В состав микросхемы входят фазовый детектор и генератор, управляемый напряжением.
НПК "Технологический центр" разработал семейство БМК, имеющих унифицированную библиотеку базовых и типовых функциональных ячеек, единые средства проектирования на базе САПР "Ковчег" и средства прототипирования микросхем [4]. Младшими в семействе БМК являются серии 5503 и 5507, которые унифицированы по составу и изготавливаются по радиационно-стойкой КМОП-технологии с нормами 1,6 мкм на объемном кремнии. Разводка осуществляется в первом слое металла и слое поликремния. БМК этих серий имеют категорию качества "ВП" и разрешены к применению в аппаратуре специального назначения [5]. На базе БМК серий 5503 и 5507 разработано и выпускается более 600 типов полузаказных микросхем различного назначения, в том числе для аппаратуры космического базирования, например, для космических кораблей "Прогресс-М", "Союз-ТМА", разгонного блока "Бриз-М" и многих других аппаратов [6, 7, 8].
Развитием микросхемы 5503ХМ1У-651 стала микросхема 5503ХМ1У-653, где к имеющимся блокам добавлены два 4-разрядных счетчика. Счетчик делит выходную частоту ГУН на 16, тем самым усредняя шумы ГУНа и, как следствие, уменьшая шумы АЦП.
Для реализации ФНЧ была использована микросхема 5503ХМ1У-617, которая содержит в своем составе набор ОУ. На рис.4 показана блок-схема одного канала ФАПЧ с использованием микросхем 5503ХМ1У-653 и 5503ХМ1У-617.
Микросхема ОУ 55503ХМ1У-617 включает следующие функциональные блоки (рис.5):
• шесть независимых ОУ;
• два инвертирующих усилителя;
• источник опорного напряжения на 1,12 В;
• токозадающий блок.
Токозадающий блок для установки режима ОУ подключен к выводу R0. Между этим выводом и "общим 0В" необходимо подключить резистор от 100 кОм до 1 МОм для задания тока смещения всех ОУ, определяющего их быстродействие. Общий ток потребления микросхемы пропорционален току через вывод R0.
Источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны имеет высокоомный выход CREF для подключения фильтрующего конденсатора (порядка 10 нФ) и вход установки режима INRI. Изменение напряжения на выходе CREF в диапазоне температур определяется номиналом внешнего регулировочного резистора на выводе INRI. Между этим выводом и "общим 0 В" необходимо подключить резистор номиналом от 8,1 до 10 кОм. Чувствительность источника опорного напряжения к изменению напряжения питания составляет 2 мВ / В. Внутри микросхемы выход CREF подключен к неинвертирующим входам ОУ.
Характеристики единичного ОУ представлены в табл.3.
Развитие элементной базы, предназначенной для реализации АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты, продолжается. В настоящее время в НПК "Технологический центр" разработана микросхема 5503ХМ1У-670, которая является развитием микросхемы 5503ХМ1У-653. В состав новой микросхемы добавлен ОУ, предназначенный для реализации ФНЧ, а также измененный генератор, управляемый напряжением.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сизов М.В. Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ // Современная электроника. 2012. № 6.
2. Система ФАПЧ и ее применения. http://catalog.gaw.ru/index.php?page=document&
id=1478.
3. Контур фазовой автоподстройки частоты и его основные свойства. http://www.dsplib.ru/content/pll/pll.html.
4. Денисов А.Н., Фомин Ю.П., Коняхин В.В., Федоров Р.А. Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных микросхем серий 5503 и 5507. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. С. 304.
5. Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серии базовых матричных кристаллов // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2015. Т. 20. № 5. С. 497–504.
6. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработки НПК "Технологический центр" для применения в аппаратуре космического назначения. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 74.
7. Денисов А.Н., Коняхин В.В., Якунин А.Н., Бец В.П. Разработка аппаратуры космического применения с использованием базовых матричных кристаллов // Вестник НПО им. С.А.Лавочкина. 2012. № 5. С. 67–73.
8. Басаев А.С., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Сауров А.Н. Применение базовых матричных кристаллов при разработке аппаратуры специального назначения // Вестник Концерна ПВО Алмаз-Антей. 2011. № 2. С. 69–79.
Ближайшим прототипом АЦП с ФАПЧ является синтезатор стабильных частот. Подобные синтезаторы находят применение в качестве опорных генераторов в преобразователях частоты, электронных музыкальных инструментах и во многих других устройствах. На рис.1 показана функциональная схема синтезатора частоты.
Выходным сигналом синтезатора является переменное напряжение с частотой FГУН = N · F1. К точности и стабильности частоты предъявляются высокие требования.
В АЦП используется промежуточное преобразование аналогового сигнала (напряжения) в длительность импульса с помощью контура ФАПЧ [1]. Подробное описание принципа работы ФАПЧ приведено в [2, 3].
Функциональная схема АЦП на основе ФАПЧ представлена на рис.2. АЦП с ФАПЧ содержит элементы синтезатора и дополнительные элементы (на схеме обведены пунктиром). Основными являются следующие функциональные блоки:
• источник опорного напряжения – обязательный элемент АЦП. Амплитуда выходных импульсов фазового детектора равна опорному напряжению Up, а длительность импульсов Тх равна фазовому сдвигу между сигналами F1 и F0;
• фильтр низкой частоты (ФНЧ), выполненный по схеме пропорционально-интегрирующего (ПИ) фильтра с дополнительным входом для подключения внешнего сигнала (Ux), который преобразуется сначала в длительность импульса, а потом в двоичный код;
• ПИ-фильтр, обеспечивающий астатизм системы ФАПЧ, то есть установившиеся средние значения напряжения выходного сигнала фазового детектора UФД и входного сигнала Ux всегда равны. За счет интегратора и отрицательной обратной связи напряжение на входе ГУН поддерживается таким, чтобы частоты сигналов F1 и F0 были равными. Фазовый сдвиг Tx между сигналами F1 и F0 определяется выражением
Tx = T1 · Ux / Up, где T1 – период частоты F1, Ux – входное напряжение, Up – опорное напряжение АЦП;
• ОЗУ для хранения текущего значения двоичного кода. Запись кода производится в момент переднего фронта импульса сигнала F0;
• фазовый детектор (ФД) импульсного типа, выполненный на логических элементах и имеющий линейную выходную фазовую характеристику для обеспечения высокой точности преобразования.
В АЦП с ФАПЧ сигналы двух 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 этих импульсов не влияет на точность измерения фазового сдвига.
В научно-производственном подразделении "Дозор" в 2012 году была проведена разработка 15-канальной системы сбора информации для летающей лаборатории на базе 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ1 и АЦП с ФАПЧ, параметры которой приведены в табл.1.
АЦП с ФАПЧ является следящей системой с астатизмом второго порядка. Установившееся значение ошибки в таких устройствах равно нулю, точнее – напряжению смещения на входе ОУ +Ux / Косс, где Косс – коэффициент ослабления синфазной составляющей ОУ. Например,
ОУ 140УД31АТ, имеющий входное напряжение смещения 25 мкВ и коэффициент ослабления синфазной составляющей более 110 дБ, гарантирует преобразование напряжения Ux = 5 В в длительность импульсов с погрешностью менее 0,002%. Номиналы резисторов R1 и R3 (рис.2) должны быть одинаковыми (±5%) для компенсации входных токов ОУ. Элементы R2, R4, С1 и С2 не влияют на точность.
Напряжение на выходе ОУ управляет частотой и фазой ГУН. Так как ГУН является вторым интегрирующим элементом в контуре ФАПЧ, то он реагирует только на постоянную составляющую этого сложного по форме сигнала.
Сигналом обратной связи в схеме АЦП является выходной сигнал ФД – прямоугольный импульс, площадь которого (среднее значение напряжения за период частоты преобразования F1) равна входному напряжению Ux. ФД изготовлен на БМК серии 5503. Длительность выходного импульса ФД может быть менее 1 нс.
Разрешающая способность АЦП с ФАПЧ определяется быстродействием (элементной базой) схемы ФД и тактовой частотой МК или счетчика, который формирует сигнал F1. Предельные рабочие частоты МК и логических элементов уже достигли уровня 1 ГГц и выше. Важно отметить большие потенциальные возможности АЦП с ФАПЧ. При этом устройство содержит только один прецизионный элемент – операционный усилитель (ОУ), остальные же элементы (резисторы и конденсаторы) могут иметь разбросы значений характеристик ± (5–10)%.
Возможности АЦП с ФАПЧ на базе 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ1Т с тактовой частотой 140 МГц проверены и представлены в табл.2.
С целью уменьшения габаритов разработанного макета АЦП с ФАПЧ, в 2015 году по заказу НПП "Дозор" в НПК "Технологический центр" была разработана и изготовлена микросхема БМК 5503ХМ1У-651 двухканального ФАПЧ. Микросхема имеет 28 выводов, питающее напряжение 5 В и выполнена по КМОП-технологии с нормами 1,6 мкм. На рис.3 показана микросхема 5503ХМ1У-651 в корпусе МК 5123.28-1.01.
Одна микросхема 5503ХМ1У-651 заменяет более 30 микросхем стандартной логики на дискретных элементах, которые входят в состав ФАПЧ и служат для построения его компонентов. В состав микросхемы входят фазовый детектор и генератор, управляемый напряжением.
НПК "Технологический центр" разработал семейство БМК, имеющих унифицированную библиотеку базовых и типовых функциональных ячеек, единые средства проектирования на базе САПР "Ковчег" и средства прототипирования микросхем [4]. Младшими в семействе БМК являются серии 5503 и 5507, которые унифицированы по составу и изготавливаются по радиационно-стойкой КМОП-технологии с нормами 1,6 мкм на объемном кремнии. Разводка осуществляется в первом слое металла и слое поликремния. БМК этих серий имеют категорию качества "ВП" и разрешены к применению в аппаратуре специального назначения [5]. На базе БМК серий 5503 и 5507 разработано и выпускается более 600 типов полузаказных микросхем различного назначения, в том числе для аппаратуры космического базирования, например, для космических кораблей "Прогресс-М", "Союз-ТМА", разгонного блока "Бриз-М" и многих других аппаратов [6, 7, 8].
Развитием микросхемы 5503ХМ1У-651 стала микросхема 5503ХМ1У-653, где к имеющимся блокам добавлены два 4-разрядных счетчика. Счетчик делит выходную частоту ГУН на 16, тем самым усредняя шумы ГУНа и, как следствие, уменьшая шумы АЦП.
Для реализации ФНЧ была использована микросхема 5503ХМ1У-617, которая содержит в своем составе набор ОУ. На рис.4 показана блок-схема одного канала ФАПЧ с использованием микросхем 5503ХМ1У-653 и 5503ХМ1У-617.
Микросхема ОУ 55503ХМ1У-617 включает следующие функциональные блоки (рис.5):
• шесть независимых ОУ;
• два инвертирующих усилителя;
• источник опорного напряжения на 1,12 В;
• токозадающий блок.
Токозадающий блок для установки режима ОУ подключен к выводу R0. Между этим выводом и "общим 0В" необходимо подключить резистор от 100 кОм до 1 МОм для задания тока смещения всех ОУ, определяющего их быстродействие. Общий ток потребления микросхемы пропорционален току через вывод R0.
Источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны имеет высокоомный выход CREF для подключения фильтрующего конденсатора (порядка 10 нФ) и вход установки режима INRI. Изменение напряжения на выходе CREF в диапазоне температур определяется номиналом внешнего регулировочного резистора на выводе INRI. Между этим выводом и "общим 0 В" необходимо подключить резистор номиналом от 8,1 до 10 кОм. Чувствительность источника опорного напряжения к изменению напряжения питания составляет 2 мВ / В. Внутри микросхемы выход CREF подключен к неинвертирующим входам ОУ.
Характеристики единичного ОУ представлены в табл.3.
Развитие элементной базы, предназначенной для реализации АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты, продолжается. В настоящее время в НПК "Технологический центр" разработана микросхема 5503ХМ1У-670, которая является развитием микросхемы 5503ХМ1У-653. В состав новой микросхемы добавлен ОУ, предназначенный для реализации ФНЧ, а также измененный генератор, управляемый напряжением.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сизов М.В. Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ // Современная электроника. 2012. № 6.
2. Система ФАПЧ и ее применения. http://catalog.gaw.ru/index.php?page=document&
id=1478.
3. Контур фазовой автоподстройки частоты и его основные свойства. http://www.dsplib.ru/content/pll/pll.html.
4. Денисов А.Н., Фомин Ю.П., Коняхин В.В., Федоров Р.А. Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных микросхем серий 5503 и 5507. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. С. 304.
5. Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серии базовых матричных кристаллов // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2015. Т. 20. № 5. С. 497–504.
6. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработки НПК "Технологический центр" для применения в аппаратуре космического назначения. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 74.
7. Денисов А.Н., Коняхин В.В., Якунин А.Н., Бец В.П. Разработка аппаратуры космического применения с использованием базовых матричных кристаллов // Вестник НПО им. С.А.Лавочкина. 2012. № 5. С. 67–73.
8. Басаев А.С., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Сауров А.Н. Применение базовых матричных кристаллов при разработке аппаратуры специального назначения // Вестник Концерна ПВО Алмаз-Антей. 2011. № 2. С. 69–79.
Отзывы читателей
