ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ

May 22, 2015 by admin Комментировать »

В. Гавриленко

В настоящее время промышленность выпускает синтезаторы частоты, в которых реализован метод прямого или косвенного синтеза. Сущность прямого синтеза заключается в получении необходимой частоты путем выполнения операций умножения и деления частот гармонических составляющих высокостабильной частоты опорного генератора. При косвенном синтезе частота генератора, управляемого напряжением (ГУН), уменьшается делителем с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в требуемое количество раз. С выхода делителя частота подается на один из входов частотно-фазового детектора, на другой вход которого поступает сигнал с частотой, равной шагу изменения частоты синтезатора, полученной из частоты опорного генератора. Выходной сигнал частотно-фазового детектора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) и управляет частотой ГУН. Последняя изменяется до тех пор, пока частота на выходе ДПКД не станет равна шагу изменения частоты синтезатора и не достигает заданного значения, определяемого коэффициентом деления.

Большинство описанных методов хотя и дают возможность получать высокостабильные частоты, но обладают недостатками, практически не позволяющими основной массе радиолюбителей конструировать такие синтезаторы частоты. И прежде всего это сложность реализации подобной конструкции из-за трудоемкости настройки, наличия большого количества фильтров, моточных изделий. Прибор, схема которого описана ниже, разработан по методу цифрового синтеза и свободен от этих недостатков.

Для пояснения метода цифрового синтеза вспомним, как работает аналого-цифровой преобразователь частоты. Для преобразования аналогового сигнала синусоидальной формы в дискретный через определенные интервалы времени берутся выборки этого аналогового сигнала. Другими словами, мгновенное значение сигнала измеряется в момент выборки и преобразуется в цифровой код (число). Затем сигнал последовательности чисел с аналогоцифрового преобразователя (АЦП) подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует числа в соответствующий уровень напряжения. Для «сглаживания» ступенек, образующихся при смене чисел, сигнал с выхода ЦАП подается на фильтр низких частот (ФНЧ). В процессе цифрового синтеза осуществляется по сути дела операция, обратная той, которая происходит в АЦП. В результате формируется последовательность импульсов напряжения, величины которых равны мгновенному значению синтезируемого сигнала, соответствующего данному значению текущей фазы. Эти импульсы подаются на ФНЧ, формирующий синусоидальную форму синтезируемого сигнала. Для упрощения фильтра количество импульсов на период частоты синтезируемого сигнала выбирается не менее пяти.

Описываемый цифровой синтезатор частоты имеет следующие технические характеристики.

1.  Период частоты выходного сигнала формируется не менее чем по пяти выборкам.

2.   Диапазон синтезируемых частот 0,1 Гц…20 кГц.

3.   Шаг изменения частоты 0,1 Гц.

4.  Стабильность синтезируемых частот равна стабильности опорной частоты, стабилизированной кварцем.

Цифровой синтезатор частоты может быть использован:

в качестве высокостабильного прибора с высокой точностью установки частоты для настройки музыкальных инструментов или другой звукозаписывающей или звуковоспроизводящей аппаратуры;

в качестве генератора качающейся частоты с высокой степенью линейности измерения частоты от управляющего кода;

как одноголосный электромузыкальный инструмент, при этом код частоты формируют с помощью шифратора, на вход которого подаются сигналы с клавиатуры инструмента;

как составная часть синтезатора, предназначенного для синтеза более высоких частот.

Функциональная схема синтезатора приведена на рис. 1 и включает в себя следующие узлы:

GI — генератор опорной частоты, стабилизированной кварцем;

D1 — накопитель фазы;

D2 — вычислитель мгновенных значений синусоидального колебания;

Рис. 1. Функциональная схема цифрового синтезатора частоты

D3 — цифро-аналоговый преобразователь;

U1 — фильтр нижних частот.

Накопитель фазы D1 представляет собой многоразрядный накапливающий двоичный сумматор, на вход которого подается число К, определяющее синтезируемую частоту. Содержимое накопителя увеличивается на величину К через интервалы времени, равные периоду частоты генератора опорной частоты. Двоичные числа на выходе накапливающего сумматора изменяются циклически от нуля до N — емкости накапливающего сумматора и соответствуют изменению текущей фазы от нуля до 360°. За время цикла формируется один период синтезируемой частоты. Чем больше число К, тем короче время цикла и, следовательно, короче период синтезируемой частоты. Изменяя это число, можно менять и синтезируемую частоту.

Двоичные числа, определяющие момент выборок на периоде синусоидального колебания, подаются с накопителя фазы на вычислитель мгновенных значений D2, в качестве которого используется постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), где записаны заранее вычисленные значения выборок. Числа с выхода ПЗУ для преобразования в аналоговую форму подают на ЦАП. Оттуда сигнал поступает на ФНЧ U1, на выходе которого образуется выходной сигнал синтезатора.

Синтезируемую частоту определяют как / = КА/, где Af=fo/N — шаг изменения частоты синтезатора. При этом период частоты на выходе синтезатора формируе?ся по N/К выборкам. Емкость накапливающего сумматора N = 2n, где п — количество его двоичных разрядов. Задаваясь максимальной синтезируемой частотой и шагом изменения частоты, можно по приведенным выше формулам рассчитать частоту опорного генератора и количество разрядов в накапливающем сумматоре.

Принципиальная схема синтезатора показана на рис. 2. Необходимая частота опорного генератора равна 104,8576 кГц, но из-за отсутствия кварцевого резонатора на эту частоту был использован кварц на частоту 1048,576 кГц и делитель на десять. Кварцевый генератор выполнен на микросхемах DD1.1 и DD1.2, а делитель — на микросхеме DD2.

Рис. 2. Принципиальная схема цифрового синтезатора частоты

Для двадцатиразрядного накапливающего сумматора использованы микросхемы DD3, DD4, DD7 — DD10, DD16 — DD19. Он состоит из пяти сумматоров и пяти четырехразрядных регистров. Тактовый сигнал регистра подается с делителя частоты DD2 опорного генератора. Каждый сумматор позволяет складывать два четырехразрядных числа. На входы В сумматора поступают сигналы с выходов регистров, на другие входы А — сигналы восемнадцатиразрядных чисел К (код частоты), определяющие синтезируемую частоту.

В синтезаторе использовано ПЗУ DD6—КР556РТ5 емкостью 512 восьмиразрядных чисел. Для увеличения точности задания текущей фазы в ПЗУ записаны выборки одной четверти периода синусоиды, а не целого периода, что эквивалентно увеличению емкости ПЗУ в четыре раза.

Для формирования полного периода синусоиды по записанным в ПЗУ выборкам используются одиннадцать старших разрядов накапливающего сумматора (выходы регистров DD4, DDIO и DDI9). Из них девять младших разрядов используют для формирования адреса ПЗУ. Сигналы этих разрядов поступают на адресные входы ПЗУ через сумматоры по модулю два (микросхемы DD1I, DD20, DD5.4). Эти сумматоры используют, в качестве инверторов кода адреса при формировании второй и четвертой четверти периода. Управляет инверторами сигнал разряда накапливающего сумматора DD4 (14).

Восьмиразрядные числа с выхода ПЗУ DD6 поступают через сумматоры по модулю два DD12, DD21 на ЦАП DD13. Эти сумматоры служат инверторами чисел с ПЗУ для формирования второй половины периода синусоиды. Управление ими осуществляется старшим разрядом накапливающего сумматора DD4 (13). Для согласования частоты синтезируемого сигнала по уровню полупериодов используют инвертируемый сигнал старшего разряда накапливающего сумматора, который подают на вход старшего разряда ЦАП DD1 (4). В качестве ЦАП используют микросхему К572ПА1Б, которая работает совместно с операционным усилителем DD14 К544УД2А. Для устранения влияния переходных процессов, возникающих во время смены разрядов кода, на качество синтезируемого сигнала выходной сигнал операционного усилителя DD14 подают на вход ФНЧ через ключ DD15. Этот ключ подключает выход усилителя ко входу ФНЧ во второй половине периода частоты опорного генератора, когда переходной процесс практически закончен. Таким образом, импульсы, поступающие на ФНЧ, оказываются в два раза короче, чем длительность импульсов на выходе ОУ ЦАП, что приводит к уменьшению уровня сигнала на выходе ФНЧ в два раза. С этим приходится мириться, так как использование ключа DD15 значительно повышает качество сигнала. Характеристическое сопротивление ФНЧ равно 2 кОм, поэтому для его согласования с источником сигнала включен резистор R15. ФНЧ нагружен на резистор R16.

Содержимое ПЗУ вычисляется по формуле

где entier(x)—целая часть числа X; т — адрес ПЗУ, который изменяется от нуля до 511.

Вычисленные величины мгновенных значений отсчетов на четверти периода синусоидального колебания приведены для компактности в шестнадцатиричной системе счисления в таблице. При пользовании таблицей следует помнить, что в этой системе счисления символам А, В, С, D, Е, F соответствуют числа 10, 11, 12, 13, 14, 15. Два старших разряда адреса ПЗУ приведены в левом вертикальном столб-

Таблица

Содержимое ПЗУ микросхемы КР556РТ5 (1/4 SIN)

це, младший разряд в первой строке таблицы. Для примера определим содержимое ячейки ПЗУ с адресом 254. Этот адрес в шестнадцатиричной системе счисления записывается как FE. На пересечении строки F и столбца Е записано ВЗ, что соответствует числу 179 в десятичной системе счисления. Следовательно, по адресу 254 ПЗУ записано число 179.

Как уже упоминалось, синтезируемая частота задается восемнадцатиразрядным двоичным числом К. Так при К= 1 частота на выходе синтезатора равна 0,1 Гц, а при 7(=200 000 — 20 кГц. На рис. 3 показана схема задания частоты. Для удобства пользования синтезатором и упрощения схемы индикации частоту в синтезаторе устанавливают с помощью шести переключателей ПП10-хВ. Каждый переключатель имеет десять положений (от нуля до девяти), и в его окне видна только одна цифра, соответствующая данному положению. Сигнал на выходах каждого переключателя (выводы А, В, О, Е) представляет собой четырехразрядное двоичное число, а на выходах всех переключателей — значение частоты в двоично-десятичном коде. Для управления частотой синтезатора двоично-десятичный код, набранный с помощью переключателей, необходимо преобразовать в двоичный. Это делают двоично-десятичный счетчик, выполненный на микросхемах DD1, DD2, DD7, DD8, DD13, DD14, двоичный счетчик на микросхемах DD4, DD10, DDI5, а также регистры DD5, DD6, DDI1, DD12 и DD16. На микросхеме DD3 выполнен генератор тактовых сигналов. Для того чтобы процесс преобразования двоично-десятичного кода в двоичный на самой высокой частоте не превышал одной секунды, частота генератора выбрана равной 400…500 кГц.

Двоично-десятичный счетчик работает в режиме вычитания, а двоичный — в режиме сложения. Разрешение на запись информации с переключателей S1 —S6 двоично-десятичные счетчики получают по сигналу «WR» (1), поступающему с триггера DD9.2 (12). Этим же сигналом производится установка двоичных счетчиков. На счетные входы двоичнодесятичных счетчиков, соединенных параллельно, поступают сигналы тактового генератора с выхода элемента DD3.3 (10). Эти же сигналы инвертируются элементом DD3.4 (11) и подаются на вход двоичного счетчика и триггера DD9.I. Сигналы триггера DD9.1 управляют работой регистров DD6 — DD5, DD11 — DDI2, DD16.

В целом устройство задания кода частоты работает следующим образом. После того как сигналом триггера DD9.2 запишется информация переключателей S1 —56 в десятичные счетчики, а двоичные счетчики установятся в «0», начинается процесс одновременного заполнения этих счетчиков импульсами тактового генератора. Как только десятичный счетчик заполнится (все его декады установятся в нулевое положение), появится сигнал на выводе 7 микросхемы DD14, который разрешит работу триггера DD9.1. Переключившись, этот триггер даст разрешение на запись и хранение информации двоичного счетчика в регистре. Эта информация в двоичном коде будет соответствовать положениям переключателей, записанным в начале процесса в десятичном счетчике. Следующим импульсом тактового генератора производится переключение триггера DD9.2, так как на его «£>» вход поступил сигнал разрешения с триггера DD9.1 (1). Вновь произойдет запись информации переключателей в десятичные счетчики, а двоичный счетчик установится в «0». Процесс преобразования повторится.

Принципиальная схема стабилизированного источника питания не приводится, так как не представляет особого интереса.

Цифровой синтезатор выполнен на трех платах из фольгированного стеклотекстолита. На одной плате размером 205X 120 мм монтируют синтезатор, на другой плате такого же размера — устройство задания частоты. На третьей плате размером 195X65 мм монтируют элементы блока питания. Все платы синтезатора размещены в корпусе из фольгированного стеклотекстолита размером 300 X X 200X80 мм. Органы управления синтезатором расположены на его лицевой панели.

Если прибор собран правильно, он начинает работать сразу после подачи на него питающего напряжения.

Микросхемы серии 561 полностью сохранят свою работоспособность при напряжении источника питания +5.В. Это дало возможность обойтись одним источником питающего напряжения и отказаться от применения преобразователей уровня между ИМС серии 561 и ПЗУ.

Налаживание прибора сводится лишь к настройке опорного кварцевого генератора. Необходимую

Рис. 4. Внутренний вид цифрового синтезатора частоту генератора устанавливают подбором емкости конденсаторов С1 и С2.

Внутренний вид цифрового синтезатора приведен на рис. 4.

В заключение следует сказать, что при использовании более быстродействующих ИМС можно построить цифровой синтезатор на более высокие частоты.

Лучшие конструкции 31-й и 32-й выставок творчества радиолюбителей /Сост. В. М. Бондаренко.— М.: ДОСААФ, 1989,— 112 с., ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты