АЦП на основе ФАПЧ



Аналогово-цифровые преобразователи являются одними из основных и важных электронных компонентов в измерительном и тестовом оборудовании. АЦП преобразует аналоговый сигнал (напряжение) в дискретный код (цифровой сигнал), над которым впоследствии выполняются определенные действия. Этот процесс представляет собой преобразование входной физической величины в числовое представление. К входной величине можно отнести любую физическую величину — ток, напряжение, частота импульсов, емкость, сопротивление и т. д.

Аналого-цифровое преобразование тесно переплетается с понятием измерения. Измерение — это процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, в случае с аналого-цифровым преобразованием, происходит сравнение входного сигнала с опорным (опорным напряжением). Из этого следует, что преобразование есть не что иное, как изменение значения входной величины [1–4].

Основные характеристики АЦП.

К основным характеристикам АЦП можно отнести частоту преобразования и разрядность. Разрядность выражается в битах, а частота обычно — в отсчетах в секунду (SPS — samplespersecond). Чем выше скорость преобразования и разрядность, тем сложнее получить необходимые характеристики, и соответственно дороже и сложнее АЦП. Эти два параметра (скорость и преобразование сигнала) тесно связаны между собой, при повышении эффективной разрядности преобразования, понижается её скорость.

Типы АЦП.

Рис. 1. Типы АЦП — диаграмма разрешения в зависимости от частоты преобразования

ФАПЧ. Введение.

Во время работы и передачи цифровых данных особое внимание уделяется синхронизации.

Фазовая автоподстройка частоты (англ. PLL — phase-lockedloop) — это система автоматического регулирования, которая подстраивает фазу входного сигнала (генератора) так, чтобы она соответствовала фазе опорного сигнала, либо отличалась на известную функцию от времени. ФАПЧ является очень важным и полезным схемотехническим узлом, который выпускается в виде отдельной интегральной схемы многими производителями.

В состав ФАПЧ входят:

− Фазовый детектор;

− Усилитель;

− Генератор управляемый напряжением.

ФАПЧ представляет собой сочетание аналоговой и цифровой схемотехники в одном корпусном исполнении. Частота настройки системы ФАПЧ определяется частотой управляющего сигнала. Сигнал рассогласования — это разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи. Так как настройка происходит по разности фаз, данная система является астатической по отношению к частоте.

Система ФАПЧ необходима для преобразования частоты (частотной модуляции и демодуляции), фильтрации, когерентного детектирования, определения опорного сигнала (колебания) и других целях [5–7].

Блок ФАПЧ производит сравнение двух сигналов (входного и опорного) и генерирует сигнал ошибки, который соответствует разности между фазами двух входных сигналов. После сравнения сигнал ошибки проходит через фильтр низких частот и применяется в качестве управляющего сигнала для ГУН, создавая тем самым отрицательную обратную связь. В случае отклонения частоты входного сигнала от опорного, сигнал ошибки увеличивается, воздействую на генератор управляемый напряжением в сторону уменьшения ошибки. Во время «равновесия» опорного и входного сигнала, частота выходного сигнала равна частоте опорного сигнала.

Рис. 2. Блок схема фазовой автоподстройки частоты (Синтезатор частоты)

ФАПЧ получил широкое применение в радиотехнике, телекоммуникациях, компьютерах и других различных электронных устройствах [8–13].

Схема АЦП сФАПЧ. Основные блоки.

Аналого-Цифровом преобразователе (АЦП) с промежуточным преобразованием аналогового сигнала (напряжения) в длительность импульса с помощью контура Фазовой Автоподстройки Частоты (ФАПЧ). Система ФАПЧ используется для частотной и фазовой модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты двух входных сигналов (детектируемых сигналов). Обычно входным или выходным сигналов в устройствах с ФАПЧ является частоты. ФАПЧ — это система управления с петлёй отрицательной обратной связью, в которой параметрами регулирования являются частота (то есть скорость изменения фазы на 360 угловых градусов за 1 секунду) или фаза сигнала, а не величина его напряжения или тока. В схеме, для которой в последствие будет собран фазовый детектор, предлагается нестандартная схема включения ФАПЧ с дополнительным параметром регулирования по напряжению. 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. На рисунках 3 и рисунках 4 показаны функциональные схемы Синтезатора и АЦП с ФАПЧ, соответственно [14–17].

Рис. 3. Функциональная схема синтезатора частоты

Рис. 4. Функциональная схема АЦП с ФАПЧ

Предлагаемая схема АЦП с ФАПЧ содержит элементы Синтезатора, но в другом включении и дополнительными элементами. Основными компоненты данной функциональной схемы, как видно их рисунка, служат следующие элементы:

Источник Опорного Напряжения обязательный элемент АЦП, амплитуда выходных импульсов ФД равна Опорному Напряжению (U_p), а длительность импульсов Tx равна фазовому сдвигу между сигналами F1 и F0;

ФНЧ выполнен по схеме Пропорционального-Интегрирующего (ПИ) фильтра с дополнительным входом для подключения внешнего сигнала (Ux), который будет преобразован в двоичный код.

ПИ-фильтр [22] делает систему ФАПЧ астатической, т. е. установившееся среднее значение суммы токов от выходного сигнала ФД(U_фд) и входного Ux всегда равно нулю. За счёт интегратора и отрицательной обратной связи напряжение на входу ГУН поддерживается таким, чтобы F1=F0, а фазовый сдвиг Tx между сигналами F1 и F0 определяется выражением (2.1)

Tx = T1*Ux/Up (2.1)

Где T1 период частоты F1, Ux — входное напряжение, Up –опорное напряжение АЦП. ОЗУ хранит текущее значение двоичного кода, запись когда производится в момент переднего фронта импульса сигнала F0.

Фазовый детектор (ФД) выполнен на логических элементах и имеет линейную выходную фазовую характеристику для обеспечения высокой точности преобразования.

В АЦП с ФАПЧ сигналы 2-х генераторов частот F1 и F0 являются внутренними, их форма напряжений должна быть прямоугольной, чтобы обеспечить работу ФД. Так как ФД определяет временной интервал между передними фронтами импульсов F1 и F0, то скважность импульсов не влияет на точность измерения фазового сдвига [18–20].

Историческая справка.

Принцип фазовой автоподстройки частоты (синхронизации) действует повсеместно. Синхронизация была открыта Гюйгенсом в середине 17 века (1650–1680 годы), наблюдавшим подстройку периода часов, висевших на одной стене. Применение Фазовой Автоподстройки Частоты (ФАПЧ) в электронных приборах началась с 1932 года, когда француз Х. де Бельсиз первым описал схему синхронного приема сигналов, которая была проще и элегантнее использовавшейся тогда схемы супергетеродинного приема. Схема ФАПЧ в которой сигнал обратной связи заставляет управляемый напряжением автогенератора подстраиваться точно на частоту приходящего сигнала, широко применяется во многих современных устройствах обработки и передачи информации.

Рис. 5. СхемаФАПЧ 1932 год

Литература:

1. T. H. Lee. «Phase Locked Loop Circuits» 2014 г.
2. К. Бойт. «Цифровая электроника» 2010 г.
3. Г. Г. Казённов. «Основы проектирования интегральных схем и систем» 2005 г.
4. А. И. Белоус, О. Е. Блинков. «Биполярные микросхемы для интерфейсов систем автоматического управления» 2004 г.
5. «Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ» журнал «СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» № 6 2012 год.
6. Блехманн И. И. «Синхронизация в природе и технике» 2013 г.
7. А. Уильямс «Применение интегральных схем» 2012 г.
8. У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника», 2010 г.
9. Микушин А. В. «Цифровые устройства и микропроцессора» 2014 г.
10. Статья «Расчёт фазового детектора. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника» 2013 г.
11. Мэндл М. «200 избранных схем электроники» 2013 г.
12. Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев «Расчет электронных схем» 2014 г.
13. Статься «Двенадцать базовых классических схем радиоэлектроники» 2013 г.
14. T. H. Lee «Phase Locked Loop Circuits» 2014 г.
15. H. Camenzind «Designing Analog chips» 2013 г.
16. В. И. Сифоров «Электроника: прошлое, настоящее и будущее» 2004 г.
17. Блехманн И. И. «Синхронизация в природе и технике» 2013 г.
18. К. Бойт «Цифровая электроника» 2010 г.
19. П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники. Перевод с английского под редакцией М. В. Гальперина» 2012 г.
20. Д. Каплан, К. Уайт «Практические основы аналоговых и цифровых схем» 2010 г.