CC BY
17
УДК 621.317.799: 621.3.049.771
ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ КАНАЛ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
A.B. Никонов, K.P. Сайфутдинов, Г.В. Никонова
Омский государственный технический университет
опорный канал
ог
СФ
3 s
СЧ —» ф г
/ч
А*1Г ft
" Частота." "Уровни" 4
-Ul Ul iL У ри£Л.
ib А
сч
ф
ill
^ ["Дф"
сигнал ьныи када.п
The present article deals with the esults of researches of pulsing generating channels, constructed on the basis of systems of phase-locked loop frequency that enables to establish a sight or law of change of a temporary situation of output pulses in ps range, frequency of signals by a programm image. The channel works in a range ol frequencies 0,1 -10 MHz. range of temporary shifts of 100 ps - 10 mks from a step of 100 ps and error of installation is not more 0.00014 cycles of a signal (0.050) A step
В автоматизированных измерительных системах времязадаюицие генераторы формируют в различных каналах один или несколько сигналов, положение которых строго определено во времени относительно сигнала опорного канала. Потребности науки и производства требуют обеспечить дискрет временного сдвига в пикосекундном диапазоне с малыми значениями неисключенной систематической (до 10 % от значения дискрета) и случайной (до 30 % от значения дискрета) составляющих суммарной погрешности в широком диапазоне частот выходного импульсного сигнала. Значения длительностей фронта и среза импульсов находятся в пикосекундном диапазоне, а верхний и нижний уровни должны регулироваться [1-3].
Для повышения точности установки временных параметров выходного сигнала применяются системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [4-6]. Но известные схемы позволяют достичь пикосекундного диапазона лишь с помощью аналоговых интерполяторов, причем кольцо ФАПЧ не участвует в формировании временных параметров сигнала.
Ниже приведены результаты исследований характеристик генераторного канала пикосекундного диапазона на основе систем ФАПЧ с малым значением фазового шума и выходных формирователей, позволяющих регулировать параметры выходного сигнала.
Генераторный канал на основе ФАПЧ (рис.1) содержит опорный генератор 1. из сигнала которого формируются два других, сдвинутые по фазе на угол Дф с помощью высокоточного синтезатора фазы с малым шагом 2. Выходной сигнал синтезатора фазы 2 имеет фиксированную (низкую) частоту. Установленный фазовый сдвиг переносится в область выходных частот канала синтезаторами частоты (СЧ) 3, 4. Связь временного At и фазового Дф сдвигов определяется выражением Дф = 2тг f At. Синтезаторы фазы и частоты построены на основе систем ФАПЧ. Двухканальный синтезатор фазы 2 состоит из последовательно включенных первого задатчика фазового сдвига на 1,44° сигнала с частотой 160 кГц и второго
Рис. 1. Структура.генераторного кала-лз. на основе Ф А П Ч
задатчика на 0,0036° сигнала с частотой 100 кГц [7].
Выходной сигнал первого задатчика фазового сдвига служит входным для второго и опорным для собственного гетеродина частотой 39.84 МГц. В первом задатчике фазы производится запрет прохождения по каналу импульсов (от 1 до 256) последовательности, полученной из сигнала опорного генератора частотой 40 МГц с возможностью синхронизации также по внешнему опорному сигналу. Далее частота сигнала делится на 250. Фазовый сдвиг, заданный первым задатчиком фазы, переносится на сигнал частотой 40 МГц кольцом ФАПЧ с преобразованием частоты во втором задатчике фазы. Здесь также имеется возможность запретить прохождение импульсов по каналу, и далее частота сигнала делится на 400.
Выходные формирователи 5. 6 синтезаторов частоты доводят сигнал до требуемых значений напряжений высокого и низкого уровней, длительностей фронта и среза. В кольцо ФАПЧ подсистем синхронизации генераторных каналов (рис. 2) входят: подстраиваемый генератор (ПГ). делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), импульсный фазовый детектор (ИФД) и фильтр
нижних частот (ФНЧ).
Рис. 2. ФАПЧ с ДПКД в кольце авгоподсгройки
Сигнал ПГ 4 с выхода ДПКД 3 поступает на первый вход ИФД 1, на второй вход которого подается опорный сигнал 1ь. Частоты опорного сигнала и сигнала с выхода ДПКД 3 равны в режиме синхронизма, а частота сигнала ПГ А \п, в N раз больше частоты опорного сигнала При введении фазового сдвига Дфо по опорному входу ИФД 1. фаза сигнала ПГ 4 получает приращение ЫДфо. Буферный каскад БК 5 уменьшает влияние нагрузки на ПГ 4.
Использование в системах ФАПЧ импульсных генераторов с возможностью остановки генерации (ПГО) целесообразно при формировании сигналов, временное положение которых отсчитывается от пускового импульса. Такие ПГО. выполненные на основе логических элементов с задержкой в цепи обратной связи [5,8]. имеют низкую добротность цепи, определяющую частоту генерации, и. следовательно, повышенное значение фазового (временного) шума. Кроме того, реакция на команду разрешения генерации наступает с задержкой, определяемой суммой задержек логического элемента и задержки в цепи обратной связи. Генератор на элементе интегральной схемы (ИС) К500ЛМ102 с собственной задержкой распространения 2,9 не имеет суммарную задержку 5нс при частоте генерации 100 МГц. Экспериментальная оценка фазового шума, определенная по первой гармонике, для аналогичного генератора с частотой 25 МГц по [8] на ИС К531ГГ1 дала значение минус 91 дБ/Гц в полосе анализа 10100 кГц. В то же время ПГ с частотой 40 МГц второго задатчика фазы на биполярном транзисторе с колебательной системой, включенной между коллектором и базой, формирователем импульсного сигнала на логическом элементе на выходе, имеет много меньшее значение фазового шума, равное минус 120 дБ/Гц в той же полосе анализа. Оценка фазового шума проведена с использованием анализатора спектра С4-60 и методики, изложенной в [9].
ПГСЧ, работающий в диапазоне 5,5 -10,5 МГц и имеющий выходной импульсный сигнал в уровнях ИС ТТЛ, приведен на рис. 3. Используя колебательную систему, включенную между коллектором и базой транзистора Ъ. он позволяет получить достаточно малый уровень фазовых шумов -
минус 120 дБ/Гц в полосе анализа 10-100 кГц. Наибольший вес в полную мощность шумов вносят низкочастотные флуктуации типа М\ (шумы фликкер-эффекта). По аналогии с [9], в полосе анализа 1- 5 кГц изменение спектральной плотности близко к закону "1/Г , полоса 5-15 кГц - переходная область, в полосе 15-100 кГц -белый шум,
Рис. 3. Подстраиваемый генератор СЧ
В качестве ИФД (рис. 4) используется схема на основе Д - триггеров [9,12], представляющая, по существу, преобразователь угла сдвига фаз между входными сигналами в интервал времени (длительность выходного импульса), Это решение не позволяет отслеживать и отрабатывать флуктуации фазы сигнала ПГ внутри периода опорного сигнала То (период регулирования), что ведет к увеличению фазового шума сигнала ПГ. Время установления интегрирующего звена (Мз), задержка ДПКД входят в общее время запаздывания управляющего воздействия на сигнал ПГ.
Рис. 4. Импульсный фазовый детектор на О-триггере
ФНЧ 2 (рис.2) кольца решает задачи снижения уровня помех в сигнале с выхода ИФД (обычно с частотой опорного с и л - натуральное число), снижения уровня
помех в управляющем сигнале за счет неидеального спектра
сигнала опорного генератора и обеспечения условий вхождения системы ФАПЧ в режим синхронизма. Решение, удовлетворяющее этим трем требованиям, это пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИФ) [10]. Для широкополосных систем ФАПЧ СЧ генераторного канала вел. R г ,иС равны: Ri = 2.5 к; R? = 3 к: С = 0.015 мкФ. При этом полоса пропускания ФНЧ будет иметь значение 3032 Гц. подавление помехи вида (kfo) в сигнале ПГ кольца ФАПЧ минус (30 - 40) дБ. Значение частоты среза Ьр™ф полосы пропускания ПИФ (на уровне 0,707) определяется выражением
српиф = f 2пТ [ (1 - 2гтг) -1'2 ] } -1 ,
(1)
позволяющим оценить полосу захвата кольца. Здесь т = Яг / (Я) -Жг) - параметр ПИФ. Эквивалентная полоса пропускания системы ФАПЧ с ПИФ (тгТ » 1/Д^, где Д! - полоса удержания кольца). исходя из [11]. определяется (при начальной расстройке равной нулю) как
f ■
. = m / 2яТ .
(2)
и для приведенного варианта она равна 1051 Гц. То есть, подавление фазовых шумов в сигнале ПГ за счет кольца ФАПЧ наблюдается в полосе менее 1 кГц. Экспериментально полученное значение фазового шума кольца с таким ПИФ лежит в интервале минус (110 -114) дБ/Гц в полосе анализа 10-100 кГц, или среднеквадратическое значение (СКЗ) временного шума равно 140 пс при коэффициенте деления ДПКД 250.
Таким образом, мощность фазовых шумов ПГ увеличивается при его работе в кольце ФАПЧ на (6-15) дБ/Гц. Минимизация воздействия помех на ПГ конструктивными решениями [9] позволяет уменьшить уровень побочных дискретных составляющих, также снижая взаимное влияние опорного и сигнального каналов. Дальнейшим путем уменьшения временного шума сигнала генераторного канала остается снижение собственных фазовых шумов ПГ. а также шумов узлов кольца. Фазовый шум ПГ при той же элементной базе уменьшается, по сравнению с указанным выше, при использовании варикапов с максимальным коэффициентом перекрытия по емкости Кс при минимально допустимом их включении в колебательную систему. Так, ПГ, собранный по схеме, аналогичной изображенной на рис.3. с варикапом КВ129А, для которого Кета« = 40, имеет уровень фазового шума минус 119 дБ/Гц в полосе анализа 5 -100 кГц при частоте сигнала 30 МГц. Уменьшение фазовых шумов дает применение ИФД типа "выборка - хранение" (ИФДВХ) [12,13]. ИФДВХ позволяет получить полный диапазон управляющего напряжения (1-11 В) без дополнительного усиления, а помехи на выходе детектора по [12,13] - наибольший вес вносит воздействие опорного и пилообразного сигналов - приводят к появлению паразитных составляющих в спектре сигнала ПГна уровне минус (75-80) дБ и снижаются до минус (100-110) дБ при соответствующих экранировании и топологии схемы. Уровень фазового шума выходного сигнала кольца ФАПЧ, использующего ИФДВХ и ПГс варикапами КВ129А, имеет
значение минус 120 дБ/Гц в полосе анализа 5-100 кГц при частоте сигнала в диапазоне 30-40 МГц или СКЗ временного шума 90 пс при коэффициенте деления ДПКД 300-400. Уровень дискретных побочных составляющих менее минус (60-70) дБ, и в отличие от [14] можно считать малой зависимость уровня фазовых шумов от соотношения полосы частот анализа и частоты регулирования в кольце. Таким образом, подбор элемен-тов узлов системы ФАПЧ по критерию минимума паразит-ных отклонений фазы (ПОФ) при конкретных диапазонах частот и точности установки фазы выходного сигнала ведет к улучшению спектра выходного сигнала ПГ. что соответствует теоретическим выкладкам [14-16].
Дальнейшее уменьшение уровня фазовых шумов достигается с помощью структурных решений, в основу которых положено формирование выходных сигналов канала с помощью преобразования частоты (ПрЧ) (рис. 5).
Г1
fn=3S>,9 МГц
£>=о,1 мги
fe =0.1 МГц
1 JI 'Частота" 4
Г 2
ftí —30—39,9 МГц
ФАПЧ ПрЧ Фильтр
ФД;ПГ;СМ СМ
f ЕЫХ —
0.1 ■¡•10МГц
йф
ФАПЧ -» ▼-- ПрЧ О -► Фильтр
ФД; П Г; СМ см
вых -0,1+10 МГц
Рис. 5. Структура синтезатора частоты
В канальных синтезаторах частоты фазовый сдвиг между входными опорными сигналами переносится на сигналы ПГ в кольцах ФАПЧ 2. 3 с преобразованием частоты. Смеситель СМ выделяет разностную частоту ПГ и гетеродина Г1. Далее выходные сигналы ПГ колец 2. 3 поступают на следующие ПрЧ 5. 6, с выходов СМ которых через ФНЧ снимаются выходные сигналы с разностными часто-тами, равными (пго - fr?: f™c - í¡2. причем частота вто-рого гетеродина 4 перестраивается в требуемой полосе частот. Гетеродины 1,4- это кольца ФАПЧ с ДПКД в цепи обратной связи. Распределение частот по узлам синтезаторов частот также показано на рис. 5. При таком решении исключено влияние задержек ДПКД в кольцах ФАПЧ, когда на время заполнения счетчика делителя кольцо ФАПЧ фактически разомкнуто. Влияние гетероди-нов 1, 4 на фазовый шум выходных сигналов канала иск-лючается за счет их Выходные формирователи канала (рис.6) позволяют получить сигнал с регулируемыми в пределах 1,5 - 2 В верхним и нижним значениями уровней, причем амплитуда выходного сигнала имеет величину не менее 10 В на нагрузке 50 Ом.
общности для сигнального и опорного каналов. Это построение позволяет получить СКЗ временного шума на выходе менее 30 пс (фазовый шум менее 0.1°) при использовании узлов, приведенных выше.
- 1986. - № 10. - С.61 - 66.
3. Комплекс контроля СБИС КВК.ФИЦ.Э-40-003 / Д.А. Ефремов. C.B. Ключанцев. Б.П. Лучин. В.И.Самсонов / / Электронная промышленность.- 1989. - № 3. - С. 64 - 65.
Длительность фронта сигнала 100 пс определяется параметрами примененных в обострителе диодов с накоплением заряда (ДНЗ) Дг. Д< (Д< установлен в микрополосковой линии). Схожий формирователь [6] строится и для уменьшения длительности среза выходного импульса. На эмиттере Тз импульс имеет амплитуду 10-12 В, длительность фронта не более 3 не, Резисторы определяют токи насыщения соответствующих ДНЗ. Регулировка верхнего и нижнего уровней выходного сигнала осуществляется резисторами Яэ и РЬ соответственно. Длительность импульса равна половине периода выходного сигнала. Уменьшение длительности фронта с помощью диода Дг происходит до значения, не превышающего 300 пс, а дальнейшее уменьшение производится с помощью диода Д< до величины не более 100 пс. Микрополосковая линия имеет волновое сопротивление 50 Ом, изготовлен формирователь на печатной плате из материала ФЛАН. монтаж поверхностный.
Изложенное показывает возможность создания периодических и нерегулярных импульсных последовательностей в широких диапазонах частот и амплитуд в пикосекундном диапазоне с высокой точностью установки и регулирования параметров импульсов. Выходной сигнал может быть сформирован в уровнях, требующихся для объекта исследований. Усложнение выходного формирователя путем введения в него варикапов позволяет сделать регулируемой длительность фронта (среза) импульса (в сторону увеличения).
ЛИТЕРАТУРА
1. Испытательная система компании Тегас1упе. предназначенная для СБИС завтрашнего дня // Электроника. -1986. - № 23. - С.36 - 40.
2. Новое оборудование фирмы вепгас! для испытаний изделий, создаваемых по программе ССИС // Электроника.
4. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь. 1989. - 240 с.
5. Фелдман Р., Роски Д. Систематизированный подход к реализации программируемых задержек // Электроника. -1991. - № 11-12. - С. 46- 53.
6. Мелешко Е. А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 164 с.
7. A.c. 1318928 СССР. МКИЗ G 01 R 25/00. Калибратор фазы / В.В. Гришаев. K.P. Сайфутдинов. 4009587/24-21: Заявлено 21.01.86: Опубл. 23.06.87. Бюл. 24 - 4 е.: ил.
8. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Металлургия, 1988. - 191 с.
9. Манассевич В. Синтезаторы частот (теория и проектирование): Пер. с англ. / Под ред. A.C. Галина. - М.: Связь. 1979. - 116 с.
10. Шахгильдян В.В.. Ляховкин A.A. Системы фазовой автоподстройки частоты. - М.: Связь, 1972. - 100 с.
11. Жилин Н.С., Майстренко В.А. Метрологические аспекты преобразования частоты. - Томск: Изд-во Томского ун-та. 1986. - 69 с.
12. Левин В.А., Малиновский В.Н.. Романов С.К. Синтезаторы частот с системой ИФАПЧ. - М.: Радио и связь, 1989. - 23 с.
13. Импульсно-фазовый детектор для синтезаторов частот / М.И. Другов, В.Л. Карякин. М.Ю. Соловьев, H.H. Степанов // Приборы и техника эксперимента. - 1980. -N4. -
С. 118-120.
14. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации / Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь. 1980. - 109 с.
15. Шапиро Д.Н., Паин A.A. Основы теории синтеза частот - М.: Радио и связь, 1981. -160 с.
16. Майстренко В. А. Параметрическая оптимизация систем фазовой синхронизации с преобразованием частоты // Электросвязь. - 1994. - № 8. - С. 11-13.
