Фапч своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 09.09.2024

Петля фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ — это необычайно универсаль­ная схема, широко используемая в современных системах электросвязи для реа­лизации разнообразных функций, включая модуляцию, демодуляцию, обработку сигнала, восстановление несущей и тактовой частоты, генерацию частоты, син­тез частот и множество других приложений в области электросвязи. Схемы ФАПЧ используется в передатчиках и приемниках, при аналоговой и цифровой модуляции, а также при передаче цифровых сигналов.

Системы ФАПЧ начали использоваться в 1932 г. для синхронного детектиро­вания и демодуляции радиосигналов в составе контрольно-измерительных схем и систем дистанционной телеметрии. Однако много лет разработчики избегали использовать устройства на основе ФАПЧ из-за их большого размера, сложности и высокой стоимости. Теперь, с появлением интегральных микросхем, системы ФАПЧ могут обеспечить надежную высококачественную работу и в то же вре­мя быть исключительно малогабаритными, удобными и потреблять небольшую мощность. В результате произошел переход от специализированного проектиро­вания систем ФАПЧ к простому использованию универсальных, функционально законченных микросхем с широчайшей областью применения. Сегодня доступен широкий ассортимент таких интегральных схем ФАПЧ различных производи­телей. Некоторые из этих изделий представляют собой универсальные схемы, которые подходят для самых разных применений, другие оптимизированы и предназначены для использования в специализированных приложениях детек­тирования ЧМ-сигналов, демодуляции стереофонических сигналов или синтеза частот. Схема ФАПЧ позволяет обеспечить точную настройку, частотную се­лекцию и фильтрацию без использования громоздких катушек индуктивности и дросселей.

В сущности, ФАПЧ — это система управления с петлей обратной связи, в которой параметрами регулирования являются частота или фаза сигнала, а не величина его напряжения или тока. Структурная схема петли ФАПЧ показана на рис. 1. Как видно из рисунка, система ФАПЧ содержит четыре основных блока:

1) фазовый компаратор или фазовый детектор,

2) фильтр низких частот ФНЧ,

Эти четыре блока скомпонованы в интегральную схему, где для каждого из них предусмотрены внешние вход и выход, позволяющие связать блоки, так как это необходимо пользователю, установить частоту фильтра низких частот, коэффициент усиления усилителя и частоту ГУН


Рис 1. Структурная схема петли ФАПЧ

1. Работа схемы ФАПЧ

В основе работы системы ФАПЧ лежит фазовая синхронизация сигналов под­страиваемого и опорного генераторов. Однако, прежде чем возникнет фазовая синхронизация, цепь ФАПЧ должна быть синхронизирована по частоте. После того как произойдет захват частоты, на выходе фазового компаратора появится напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналом на выходе ГУН и внешним эталонным сигналом.

Чтобы система ФАПЧ работала должным образом, необходимо обеспечить полный замкнутый тракт петли обратной связи, как показано на рис. 1. При отсутствии внешнего опорного сигнала или когда петля обратной связи разо­мкнута, ГУН работает на частоте предварительной настройки f п , которую на­зывают собственной частотой или частотой собственных колебаний. Собствен­ная частота — это выходная частота ГУН в системе ФАПЧ с разомкнутой петлей обратной связи. Собственная частота ГУН определяется внешними ком­понентами. Как уже говорилось, прежде чем система ФАПЧ войдет в режим слежения, должен произойти захват частоты. Когда на вход системы ФАПЧ поступает внешний входной сигнал с частотой fi, компаратор сравнивает час­тоту внешнего сигнала с частотой выходного сигнала ГУН f 0 . На выходе фазового компаратора формируется напряжение ошибки, рассогласования , пропорци­ональное разности фаз двух сигналов на входе. Напряжение сигнала ошибки через фильтр нижних частот и усилитель воздействует на управляющий элемент ГУН. Еcли собственная частота ГУН f n достаточно близка к частоте внешнего опорного сигнала f i , то под действием обратной связи в схеме ФАПЧ ГУН син­хронизируется, то есть захватывает внешний входной сигнал. Поэтому выходная частота ГУН - это сумма или разность его собственной частоты и разницы между внешней опорной частотой и собственной частотой ГУН. Выходная ча­стота ГУН f0 определяется выражением:

где f 0 - выходная частота ГУН, Гц; fn — собственная частота ГУН, Гц; , Гц; fi — внешняя опорная частота, Гц.

В сущности, система ФАПЧ имеет три рабочих состояния:

автономное со­стояние собственных, свободных колебаний;

В ав­тономном состоянии внешний сигнал опорной частоты отсутствует или петля обратной связи разомкнута. При этом ГУН генерирует сигнал на своей соб­ственной частоте, определяемой внешними компонентами. В состоянии захвата, система ФАПЧ должна иметь внешний опорный сигнал и замкнутую петлю обратной связи. Из состояния захвата система ФАПЧ со временем переходит в режим слежения частоты. В режиме слежения частота ГУН отслеживает частоту внешнего входного сигнала (т. е. равняется ей). Когда система ФАПЧ находится в состоянии удержания, частота ГУН следует за изменениями частоты внешнего опорного сигнала.

2. Процесс захвата частоты

Когда внешний опорный сигнал поступает на фазовый компаратор (см. рис. 3.22, а), он объединяется с выходным сигналом ГУН . Сначала частоты этих двух сигналов не равны (). Поскольку фазовый компаратор — устройство нелинейное, то внешний сигнал и сигнал с выхода ГУН при сравнении создают комбинационные частоты (т.е. суммарные и раз­ностные частоты). Поэтому на выходе фазового компаратора присутствуют в первую очередь: внешняя опорная частота f i , частота с выхода ГУН f 0 , их сумма (f 0 +f i ,) и разность (f 0 -f i ).

Фильтр нижних частот подавляет входные частоты f i и f 0 , а также их суммарную частоту f 0 +f i . Таким образом, на выходе ФНЧ присутствует един­ственный сигнал — относительно низкая разностная частота f d = fo - fu , кото­рую называют частотой биений. Сигнал биений усиливается, а затем поступает на вход ГУН, изменяя выходную частоту ГУН пропорционально величине и полярности своего напряжения. Поскольку выходная частота ГУН изменяет­ся, амплитуда и частота сигнала биений также пропорционально изменяется. На рис. 2 б, показан сигнал биений f d , полученный в результате его же воздей­ствия на ГУН. После определенного числа циклов подстройки выходная частота ГУН становится равной внешней опорной частоте и, как говорят, происходит захват частоты системой ФАПЧ. Как только захват частоты произошел, ча­стота биений на выходе ФНЧ становится равной 0 Гц (напряжение постоянного тока), а его величина и полярность будут пропорциональны разности фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Напряжение постоянно­го тока обеспечивает входное смещение для ГУН, поддерживая режим слежения частоты внешнего сигнала.

В сущности, пока захват частоты не произошел, фазовый компаратор ра­ботает как частотный компаратор, и только после захвата (нулевые биения) он становится фазовым компаратором. После захвата частоты величина сдвига фаз между внешним опорным сигналом и выходной частотой ГУН конвертируется в фазовом компараторе в постоянное напряжение смещения u d , фильтруется усиливается, а затем поступает обратно в ГУН, где поддерживает процесс слежения частоты (режим синхронизма). Следовательно, для поддержания режима синхронизма необходимо поддерживать сдвиг фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Время, требуемое для достижения режима удержания, называют временем захвата или временем вхождения в синхронизм.



Рис. 2. Работа системы ФАПЧ: а) - структурная схема. б) – сигнал частоты биений.

3. Полоса захвата и удержания петли ФАПЧ

Полоса захвата и полоса удержания, отслеживания — это два ключевых параметра системы ФАПЧ, которые характеризуют её рабочий диапазон частот.

3.1. Область захвата

Область захвата определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН f n , в котором система ФАПЧ в состоянии произвести захват частоты и войти в синхронизм с внешним входным сигналом. В зависимости от конструкции системы ФАПЧ, ширины полосы пропускания фильтра нижних частот и усиления петли обратной связи, область захвата находится как правило, в диапазоне между 0.5f n и 1.7f n . Иногда область захвата называют областью вхождения в синхронизм.

Полоса захвата частоты — полосы частот захвата слева или справа от опорной частоты, ко­торые, как правило, симметричны (т. е. область захвата в 2 раза шире полосы захвата частоты). Область захвата и полосы захвата показаны в форме частот­ной диаграммы на рис. 3. Самая низкая частота, на которой система ФАПЧ может произвести захват, называется нижним пределом захвата f cl , а самая вы­сокая частота — верхним пределом захвата f cu .


Рис. 3. Область захвата час­тоты системы ФАПЧ

3.2. Полоса удержания

Область удержания определяется как диапазон частот, сосредоточенный во­круг собственной частоты ГУН, в котором система ФАПЧ может поддерживать режим синхронизма с внешним опорным сигналом. При этом предполагается, что система ФАПЧ первоначально захватила и удерживает частоту входного сигнала. Область удержания также известна как область слежения. Область удержания — это диапазон частот, в котором после того, как произошел захват частоты, система ФАПЧ будет точно отслеживать частоту внешнего опорного сигнала. Полоса удержания (синхронизации) — диапазон частот в области удер­жания слева или справа от опорной частоты (т. е. область удержания в 2 раза шире полосы удержания). Связь между областью удержания и полосой удержа­ния показана в виде частотной диаграммы на рис. 4.


Рис. 4. Область отслежива­ния частоты системы ФАПЧ

Области захвата и удержания прямо пропорциональны коэффициенту усиле­ния по постоянному току петли обратной связи системы ФАПЧ. Область захва­та никогда не бывает больше и почти всегда меньше, чем область удержания.

Взаимосвязь между областями захвата и удержания и полосами захвата и удержания частоты показана в форме частотной диаграммы на рис. 5. Обратите внимание, что области удержания больше или равна области захвата, а полоса удержания больше или равна полосе захвата частоты.


Рис. 5. Области захвата и удержания частоты системы ФАПЧ

3.9. Генераторы, управляемые напряжением

Генератор, управляемый напряже­нием ГУН, — это генератор с устойчивой частотой колебаний, определяемой внешним напряжением смещения. На выходе ГУН получают частоту, а на его вход поступает напряжение смеще­ния или управляющий сигнал, кото­рый может быть постоянным или переменным напряжением. Когда к входу ГУН приложено постоянное или медленно меняющееся напряже­ние, его выходная частота пропор­ционально изменяется.


Рис. 6. Зависимость частоты ГУН от управля­ющего напряжения смещения

На рис. 6 показана передаточная характеристика (зависимость выходной частоты от входного напряжения смещения) для типичного ГУН. Выходная частота f 0 при нулевом смещении – это собственная частота ГУН f n , определяемая внешней RC-цепью, а изменения выходной частоты, вызванные изменениями входного напряжения, называются девиацией частоты . Следовательно:

где f 0 – выходная частоты ГУН.

Для симметричной девиации собственная частота ГУН должна быть расположена в центре линейной части передаточной характеристики. Передаточная функция ГУН определяется выражением:

где К 0 - передаточная функция, Гц/В; — изменение входного управляющего напряжения, В; — изменение выходной частоты, Гц.

3.10. Фазовые компараторы

Фазовый компаратор, иногда называемый фазовым детектором, представляет собой нелинейное устройство с двумя входными сигналами: внешней опорной частотой f i и выходным сигналом ГУН f 0 - Выходной сигнал фазового компа­ратора представляет собой произведение двух сигналов с частотами fi и f 0 , и поэтому содержит частоты их сумм и разностей ( f i ± f 0 ).

На рис. 7 представлена зависимость выходного напряжения от разности фаз сигналов при одинаковой их частоте.


Рис. 7. График зависимости выходного напряжения фазового компаратора от сдвига фаз

3.14. Цифровая ФАПЧ

Цифровые системы ФАПЧ используются для синхронизации цифровых импуль­сов, например, в схемах восстановления тактовой частоты. Задача цифровых систем ФАПЧ, в отличие от аналоговых, состоит в восстановлении только вре­менных соотношении сигналов, без учета информации об их величине. Для циф­ровых систем ФАПЧ представляют интерес только временные параметры внеш­него сигнала.

Цифровые системы ФАПЧ очень похожи на аналоговые системы ФАПЧ, но в них ГУН заменен цифровым источником импульсов, частотой которых мож­но управлять, а фазовый компаратор заменен двоичным счетчиком импульсов. Функция этого счетчика — управление тактовой частотой.

В цифровой системе ФАПЧ счетчик может запускаться как внешним вход­ным сигналом, так и внутренним синхроимпульсом. Счетчик прибавляет одну единицу с каждым тактовым импульсом и отнимает одну единицу с каждым внешним входным импульсом. Когда скорость поступления (т. е. частота) внешних и внутренних импульсов одинакова, выход счетчика остается неизменным, и частота следования импульсов стабилизируется по входной частоте. Если вну­тренние импульсы генерируются с более высокой скоростью, чем внешний опорный сигнал, то содержимое счетчика увеличивается, уменьшая их частоту аналогично, когда внутренние импульсы генерируются с более низкой скорость . чем внешний входной сигнал, счетчик уменьшает свое значение, заставляя увеличить частоту внутренних синхроимпульсов.

Литература

У. Томаси "Электронные системы связи" М: Техносфера, 2007 - 1358 стр

Бернард Скляр "Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение" М: Вильмямс, 2004 - 1098 стр.

Похожие документы:

Мощные высокочастотные транзисторы

. авто­генератора, управляемого с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. В последнем случае удается получать ослабления . , использующего управляемый с помощью фазо­вой автоподстройки частоты (ФАПЧ) мощный автоге­нератор. Здесь входной .

. особенностей осуществления частотной модуляции в системах с фазовой автоподстройкой частоты. 2. Исследование основных характеристик радиосигналов с частотной . АДМХ ГУН для замкнутой петли ФАПЧ. Для этого установить: переключатель РОД .

1. Основные понятия об организации ЭВМ и систем 5

. поступают на фазовый компаратор, который вырабатывает аналоговый сигнал, управляющий частотой работы генератора . фильтр и ГУН образуют замкнутый контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Таким образом осуществляется слежение за .

А. В. Ширяев лекции по дисциплине (1)

. ПАВ или специальных схем АПЧ – ФАПЧ) и синхронизированных внешними высокостабильными колебаниями. Для . , чтобы при помощи систем с фазовой автоподстройкой частоты поддерживать частоту ТАГ с заданной её нестабильностью. При .

Инструкция по эксплуатации радиостанции (2)

. и вещательного громкоговорителя (PA) Прецизионная фазовая автоподстройка частоты (PLL) 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЩИЕ . 28,305 МГц Перестройка частоты Синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) Нестабильность частоты 0,005% MAX Рабочий .

Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) широко используется в радиотехнических устройствах и системах связи. На основе генераторов, управляемых напряжением (ГУН), и схем ФАПЧ строят синтезаторы частоты, которые позволяют получить сетку стабильных частот. Одним из применений синтезаторов является использование их в качестве опорных генераторов в преобразователях радиочастотных сигналов. В статье рассматриваются принципы ФАПЧ и структура синтезаторов на их основе. Приводятся сведения о микросхемах таких устройств, выпускаемых фирмой Analog Devices.

Фазовая автоподстройка частоты
Схема ФАПЧ (английский эквивалент Phase-Locked Loop — PLL) представляет собой систему с контуром обратной связи, который содержит ГУН, фазовый детектор (ФД), фильтр нижних частот (ФНЧ) и усилитель (рис. 1).

ФД (или детектор ошибки) сравнивает фазы сигнала опорного генератора VREF и выходного сигнала ГУН V0 и вырабатывает напряжение V1 величина которого зависит от разности фаз этих сигналов. Если эта разность равна ф радиан, то выходное напряжение ФД будет определяться выражением:

где А — коэффициент усиления усилителя. Такое управляющее напряжение обеспечивает изменение частоты ГУН по отношению к частоте его собственных колебаний ?0 до уровня

Поскольку согласно (3):

Таким образом, если схема ФАПЧ захватила опорный сигнал, то сдвиг по фазе между этим сигналом и выходным сигналом ГУН устанавливается равным f , и две частоты ?REF и ?0 будут точно синхронизированы.

Максимальное напряжение на выходе ФД имеет место при f = p и f=0 и определяется выражением:

Соответствующее максимально возможное управляющее напряжение равно:

В этом случае диапазон частот, который можно обеспечить на выходе ГУН, составляет:

Следовательно, максимальный частотный диапазон сигналов опорного генератора, при которых схема ФАПЧ будет находиться в режиме захвата, составляет:

Величина называется полосой захвата ФАПЧ и определяется по формуле:

Следует отметить, что полоса захвата симметрична по отношению к частоте собственных колебаний ТУН/0. На рис. 2 приведена зависимость Vcor частоты опорного сигнала, характеризующая паюсу захвата. Вне этой полосы частота ГУН не может быть синхронизирована с частотой опорного сигнала.
Схемотехника ФАПЧ может быть классифицирована по методу реализации [1].

Если в качестве ФД используется линейный атемент типа четырехквадрантного перемножителя, а остальные элементы контура являются линейными аналоговыми, ФАПЧ называется линейной (linear PLL — LPLL).
Если используется цифровой ФД, а остальные элементы контура ФАПЧ являются линейными аналоговыми, то ФАПЧ называется цифровой (digitalPLL—DPLL).
Если ФАПЧ строится исключительно из цифровых блоков, без использования каких-либо пассивных или линейных аналоговых элементов, то ФАПЧ называется полностью цифровой (all digital PLL —ADPLL).
Как и любая цифровая система, полностью цифровая ФАПЧ может быть реализована в виде программы. В этом случае ФАПЧ называется программно реализованной (soft PLL—SPLL).
К основным параметрам ФАПЧ относят фазовый шум, уровень проникновения гармоник опорного сигнала и время захвата.
Фазовый шум порождается малыми флук-туациями случайного характера фазы сигнала опорного генератора. Наличие его на входе ФД приводит к появлению ошибки на его выходе и, как следствие, к нестабильности частоты выходного сигнала ГУН.

Время захвата ФАПЧ это время от момента подачи сигналов на входы ФД до момента возникновения установившегося режима (момента захвата).

Синтезатор частоты с ФАПЧ
Схема ФАПЧ используется в качестве ос-новного элемента при построении синтезаторов частоты, которые вырабатывают сетку вы со ко стабильных частот, кратных частоте опорного генератора. Для обеспечения высокой стабильности используют опорный генератор с кварцевым резонатором. Структура такого синтезатора приведена на рис. 3.

Частота опорного генератора ?0П делится на целое число R с помощью входного делителя. На его выходе вырабатывается сигнал с частотой ?REF/R. Частота ГУН также делится на целое число N при помощи делителя в петле ФАПЧ, принимая значения ?0/N. Когда схема ФАПЧ работает в режиме захвата опорного сигнала, имеет место равенство:

Для получения различных коэффициентов деления применяют программируемые делители. Тем самым обеспечивается широкий спектр выходных частот синтезатора, кратных частоте опорного сигнала. Диапазон выходных частот синтезатора определяется полосой захвата ФАПЧ, а абсолютные значения границ этого диапазона зависят от собственной частоты ГУН, относительно которой располагается полоса захвата (рис. 2). Величина шага изменения частоты синтезатора D? (разрешающая способность синтезатора) в пределах диапазона его перестройки зависит от величины коэффициента деления делителя N и от времени захвата ФАПЧ. При уменьшении D? требуется уменьшение времени захвата (времени установления), то есть уменьшение времени перехода от одного устойчивого состояния с частотой ?01 до другого устойчивого состояния с частотой ?02=?01±D?.

Уменьшить время захвата можно за счет увеличения полосы пропускания петлевого ФНЧ. Но это приводит к увеличению уровней фазовых шумов и побочных гармоник. При значительном увеличении границы полосы пропускания фильтра (более 0,2REF/R)) петля ФАПЧ может стать нестабильной и неспособной к захвату. Для исключения этого необходимый запас по фазе в петле ФАПЧ должен составлять не менее 45°.
Большое значение коэффициента деления N в петле ФАПЧ может повлечь за собой появление некоторых нежелательных эффектов:
1. Коэффициент передачи контура ФАПЧ уменьшается с ростом N, что замедляет ответную реакцию на любые изменения на входе.
2. Для заданной величины фазового шума сигнала опорного генератора в полосе пропускания контура ФАПЧ фазовый шум выходного сигнала составляет N/R от величины входного. Если N = R и помехи появляются на входе схемы, то это не скажется при любых отклонениях фаз сигналов на входе детектора. Однако если помехи возникают на входе ФД (до деления на R), то коэффициент усиления выходного фазового шума имеет значение N.

Разрешающая способность синтезатора с целочисленным коэффициентом деления N делителя в петле ФАПЧ ограничена величиной ?REF/R. При дробном коэффициенте деления ^'разрешающая способность может составлять доли от величины ?REF/R. Другим достоинством систем с дробным коэффициентом деления является уменьшение времени захвата. Например, ecли ?REF/R = 20 МГц и полоса пропускания ФНЧ составляет 150 кГц, то перестройка синтезатора по частоте на 30 МГц будет занимать менее 30 мкс.
В современных синтезаторах время захвата мало, но конечно, что определяется возможностями схемотехники. В ряде случаев, когда требуется повышенное быстродействие системы при переходе от одной частоты к другой, используют два синтезатора: пока один работает на данной частоте в течение времени, большее, чем время захвата, второй синтезатор переключается на другую требуемую частоту. В результате время перехода от одной частоты к другой определяется только временем коммутации выходов синтезаторов.


Подобная реализация PFD обладает рядом преимуществ по сравнению с классическим детектором с выходом по напряжению: большая линейность, низкая стоимость.
ADF4001 относится к категории низкочастотных ФАПЧ и предназначена для работы в схемах тактовых генераторов с ФАПЧ, работающих в диапазоне до 200 МГц. Делители с программируемыми целочисленными коэффициентами деления

На рис. 5 приведен пример применения МС ADF4001 в схеме трехчастотного генератора синхронизированных тактовых сигналов.
На этой схеме опорный генератор обозначен как Master Clock, а ГУН — как VCXO — ГУН с кварцевым резонатором.
ADF4007 классифицируется производителем как высокочастотный делитель и синтезатор частоты. Максимальное значение частоты ГУН определяется величиной 7,5 ГГц. Однако коэффициент деления делителя петли ФАПЧ ограничен конечным набором значений N = 8, 16, 32, 64, а входной делитель имеет фиксированный коэффициент деления R = 2. Фазовый шум существенно ниже, чем у ADF4001 и составляет всего -219 дБм/Гц.

ADF4110/4111/4123/4113 — семейство МС, реализованных по единой структурной схеме (рис. 6) и различающихся частотным диапазоном применяемого ГУН (табл. 1). Диапазон допустимых частот опорного генератора у всех микросхем одинаков и составляет 5-104 МГц.
Отличительной особенностью схемотехники данных МС является петлевой делитель, который реализован по схеме, приведенной на рис 7.

Данная схема содержит предварительный делитель частоты (prescaler), свойства которого определяются двухкоэффициентным параметром Р/(Р+1). Величина этого параметра устанавливается равной 8/9 (Р = 8), 16/17 (Р= 16), 32/33 (Р= 32) или 64/65 (Р= 64). Эти значения определяются условием синхронизации с частотой (4/5)?0. Коэффициенты деления счетчиков A и В могут принимать значения в пределах: А = 0-63, В= 3-8191. Результирующий коэффициент деления определяется соотношением: N = ВР+А. В результате диапазон целых значений N существенно расширяется.
Предварительный делитель работает при значении выходной частоты не более 200 МГц. Имеется опция установки режима работы зарядовой помпы.
Микросхемы данного семейства по выводам совместимы с ADF4001.
ADF4106/4107 имеют аналогичную с предыдущими МС структуру (рис. 6). Они отличаются более высокой частотой применяемого ГУН и, соответственно, большей частотой опорного генератора, а также меньшим напряжением питания (табл. 1). Предварительный делитель работает при значении выходной частоты не более 325 МГц.

ADF4116/ADF4117/ADF4118 — семейство, реализованное по сходной с предыдущими МС структуре. Отличие заключается в отсутствии опции установки режима зарядовой помпы. Параметр предварительного делителя составляет Р/(Р+1) = 8/9 для ADF4116 и Р/(Р+1) = 32/33 для ADF4117/4118. Коэффициенты деления счетчиков A и В могут принимать значения в пределах 0-31 и 3-8191 соответственно. Данные МС характеризуются меньшим током потребления.
ADF4153 открывает серию МС с дробным коэффициентом деления делителя в петле ФАПЧ, который повышает разрешающую способность ФАПЧ по частоте. Структурная схема приведена на рис. 8.
Петлевой делитель реализован по схеме рис 9.

Коэффициент деления такого делителя определяется тремя устанавливаемыми параметрами INT, MODw FRAQ которые для данной реализации могут принимать значения 31-511, 2-4095 и O-(MOD-l) соответственно. Результирующий коэффициент дробного делителя петли ФАПЧ определяется соотношением:

Дополнительно разрешающая способность повышается за счет включения переключаемого умножителя (doubler—D) с коэффициентом Д который равен 0 или 1 на входе делителя R (рис. 8). Результирующий коэффициент деления входного делителя RIN получается равным:

где величина R для данного варианта схемы может принимать значения в пределах 1-15.

Данная МС совместима по выводам с ADF4110/4111/4112/4113 и ADF4106. Имеет опцию установки режима работы зарядовой помпы.
ADF4154 в целом аналогична ADF4153 за тем исключением, что в данном случае предварительный делитель делителя петли ФАПЧ имеет только два значения устанавливаемого параметра: 4/5 и 8/9. Совместима по выводам с ADF4110/4111/4112/4113/4106 и ADF4153.
ADF4156 представляет собой дальнейшее развитие МС ADF4154 для работы с ГУН с максимальной частотой до 6 ГГц. В конце 2005 года была выпущена только опытная серия таких микросхем. Подробной информации в виде data sheets на момент подготовки статьи к печати на сайте компании не было. Основные параметры МС приведены в таблице 1.
ADF4193. Новая быстродействующая МС ФАПЧ с дробным петлевым делителем. Архитектура МС, приведенная на рис. 10, специально разработана под стандарты базовых станций мобильных систем связи GSM и EDGE.


МС отличает высокая точность установки фазы выходного сигнала ГУН: среднеквадратическая ошибка фазы составляет всего 0,5° на частоте 2 ГГц. Отличительной особенностью схемотехники МС является включение в схему входного делителя (помимо делителя R и коммутируемого умножителя D) дополнительного делителя Г, применение которого позволяет вдвое увеличить частоту опорного генератора. Результирующий коэффициент деления входного делителя RIN получается равным

где D равно 0 или 1, R лежит в диапазоне 1-15, Т— 0 или 1.
Кроме того, в схему введен дополнительный ОУ, позволяющий, например, преобразовать симметричный выход зарядовой помпы в несимметричный.


ADF4112L открывает серию двухканаль-ных ФАПЧ, номенклатура которых приведена в таблице 2. Структурная схема этой МС приведена на рис. 11. Двухканальные ФАПЧ имеют, как правило, единый вход от опорного генератора (?REF), но различаются по каналам диапазонами частот допустимых к применению ГУН. Эти частоты обозначают ?RF (канал RF) и ?IF(канал IF). Кроме того, различие заключается в типе петлевых делителей каналов ФАПЧ. В данной МС оба делителя — дробные, реализованные по схеме рис. 7, а их параметры соответствуют параметрам делителя МС ADF4116/4117/4118.

ADF4217L/ADF4218L/ADF4219L представляют собой семейство пвухканальных ФАПЧ с дробными петлевыми делителями, структура и параметры которых идентичны ADF4112L. Основные параметры микросхем приведены в таблице 2. Структура микросхем семейства в целом аналогична ADF4112L (рис. 11). Отличительные особенности схемотехники в доступном виде отсутствуют. В целом микросхемы данного семейства относятся к категории малопотребляющих и рекомендуются к применению в мобильной аппаратуре.


ADF4252 представляет собой сдвоенную ФАПЧ и имеет различные типы петлевых делителей в двух каналах: целочисленный делитель в канале IF и дробный делитель в канале RF (рис. 12). Целочисленный делитель канала IF реализован по схеме рис. 7 и имеет коэффициент деления в пределах от 1 до 32 767. Дробный делитель канала RF реализован по схеме рис. 9 и характеризуется следующими параметрами: INT от 31 до 255, MOD от 2 до 4095, FRAC от 0 до (MOD-1).
Оба канала микросхемы работают от одного источника опорного сигнала и имеют одинаковую структуру входных целочисленных делителей (как в МС ADF4193), но параметры этих делителей разные: RRF от 1 до 15, RIF от 1 до 32 767, D — 0 или 1.

Микросхемы синтезаторов частоты с ФАПЧ от Analog Devices
Синтезаторы частоты с ФАПЧ представлены семейством из 9 микросхем ADF4360-0/1/2/3/4/5/6/7/8 (табл. 3), реализованных по единой структурной схеме (рис. 13).


Схема синтезатора содержит встроенный ГУН, цифровой детектор, выполненный на основе фазового компаратора и зарядовой помпы (см. рис. 4), входной делитель с целочисленным коэффициентом деления R (1-16 383) и петлевой делитель также с целочисленным коэффициентом деления, ре-атизованный по схеме рис. 7. Параметры последнего: Р— 8, 16, 32 и 64; Л от 0 до 31, Вот 3 до 8191. Схема требует подключения внешнего генератора опорного сигнала с максимальной частотой 250 МГц. Максимальная выходная частота детектора составляет 8 МГц. Напряжение питания всех микросхем однополярное и составляет 3,0-3,6 В. Для уменьшения энергопотребления имеется возможность программируемой установки величины потребляемого тока.
Все микросхемы семейства выпускаются в корпусе LPSCP-24. Микросхемы моделей 0/1/2/3/4/5/6 содержат встроенные индуктивности резонансной системы ГУН. Модели 7/8 требуют подключения внешних индуктив-ностей, для чего предусмотрены соответствующие выводы. Микросхемы семейства различаются только диапазоном сетки выходных частот (табл. 3).

Программные средства разработки
Компания Analog Devices совместно с Applied Radio Labs разработала программу ADIsimPLL для моделирования ФАПЧ и схем на ее основе. Программа содержит библиотеку моделей выпускаемых микросхем ФАПЧ, а также библиотеку моделей популярных схем ГУН, включая ГУН с кварцевой стабилизацией. ADIsimPLL позволяет проектировать петлевые фильтры различной конфигурации, моделировать шумы ГУН, опорного генератора, петли ФАПЧ, воздействие помех и процесс захвата частоты. По окончании процедуры моделирования может быть получен эскизный вариант топологии печатной платы проектируемого устройства. Программа находится в свободном доступе на сайте Analog Devices [4].
Помимо этого, для моделирования ФАПЧ и схем на их основе разработчик может использовать широко известный пакет MathLab (предпочтительно в версии не ниже 6.5).

Существует традиционное предубеждение против ФАПЧ, связанное отчасти со сложностью реализации ФАПЧ на дискретных компонентах, а отчасти с сомнениями относительно ее надежной работы.

Рис. 9.67. Схема фазовой автоподстройки частоты.

С появлением недорогих и простых в применении устройств ФАПЧ первое препятствие для их широкого применения было преодолено. При правильном проектировании и корректном применении устройства ФАПЧ становятся такими же надежными элементами схемы, как операционные усилители или триггеры.

Поскольку отфильтрованный выходной сигнал фазового детектора является сигналом постоянного тока, а управляющий входной сигнал ГУН-мерой входной частоты, совершенно очевидно, что ФАПЧ можно применять для ЧМ-детектирования и тонального декодирования (используемое при цифровой передаче по телефонным линиям). Выходной сигнал ГУН - это сигнал местной частоты, равной , таким образом, ГУН выдает чистый опорный сигнал, который может содержать шумы. Поскольку выходной сигнал ГУН может иметь любую форму (треугольную, синусоидальную и т. п.), это позволяет формировать, допустим, синусоидальный сигнал, синхронизированный с последовательностью входных импульсов.

В одном из часто встречающихся применений ФАПЧ между выходом ГУН и фазовым детектором включают счетчик по модулю , обеспечивая, таким образом, умножение входной эталонной частоты . Это - идеальный метод генерации импульсов синхронизации на частотах, кратных частоте сетевого напряжения, для интегрирующих АЦП (двухстадийных и с уравновешиванием заряда) с полным подавлением помех на сетевой частоте и ее гармониках. Подобные схемы являются основными при построении частотных синтезаторов.

Компоненты ФАПЧ.

Фазовый детектор. Существуют два основных типа фазовых детекторов, которые иногда называют тип 1 и тип 2. Фазовый детектор типа 1 предназначен для работы с аналоговыми сигналами или цифровыми сигналами прямоугольной формы, а детектор типа -для работы по логическим переходам (фронтам). Типичным представителем детекторов типа 1 является детектор 565 (линейный), а детектор КМОП 4096 можно отнести и к тому, и к другому типу.

Фазовый детектор типа 2 обладает чувствительностью только по отношению к расположению фронтов сигнала и входного сигнала ГУН, как показано на рис. 9.69.

Рис. 9.68. Фазовый детектор (тип 1), выполненный по схеме Исключающее ИЛИ.

Сравним свойства фазовых детекторов двух основных типов:

Следует помнить о том, что частота ГУН не ограничивается скоростью срабатывания логических схем. Можно, например, использовать радиочастотные генераторы, настраиваемые с помощью варактора (диод с изменяемой емкостью) (рис. 9.71).

Продвигаясь в соответствии с этой идеей еще на один шаг, можно было бы даже использовать такой элемент, как отражательный клистрон, - микроволновый (гигагерцевый) генератор, с электрической настройкой за счет изменения напряжения на отражателе. Разумеется, ФАПЧ, использующая такие генераторы, потребует радиочастотный фазовый детектор.

Зависимость частоты от управляющего напряжения ГУН, используемого в ФАПЧ, может не обладать высокой линейностью, однако в случае большой нелинейности коэффициент усиления в контуре будет изменяться в соответствии с частотой сигнала и придется обеспечивать больший запас устойчивости.

Техническая часть предлагает доступный разбор, с помощью которого конечный пользователь цифровых аудиосистем, который, как мы полагаем, не имеет глубоких технических знаний, может начать более эффективно оценивать подобные системы. Некоторые более глубокие технические концепции рассмотрены здесь в доступной форме, а также даны рекомендации для прослушивания.

Техническая перспектива: введение в ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты)

Cубъективный подход может пригодиться техническим специалистам, дав толчок их исследованиям. И точно так же даже поверхностное знакомство с техническими аспектами работы пользовательского оборудования способно помочь нам в уточнении субъективных оценок. При вдумчивом подходе эстетические и технические аспекты могут идти рука об руку и достигать более глубокого понимания предмета.

Со временем пользователи все больше вникают в суть понятия ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты). ФАПЧ управляет потоком цифровых данных в преобразователе и, следовательно, отслеживает и сводит к минимуму несогласованность по времени при доставке данных, которую мы называем джиттером. Принято считать, что системы с меньшим уровнем джиттера звучат лучше, поэтому более подробное знакомство с тем, как ФАПЧ управляет джиттером, является ключом к тому, чтобы более тонко оценивать качество цифровых аудиосистем.

Когда вы посылаете цифровой аудиосигнал в конвертер (или в цифровой интерфейс), то конвертер необходимо синхронизировать с дискретизацией этого сигнала. В большинстве преобразователей для этого применяется система ФАПЧ, которая пытается сонастроиться с входящим (опорным) тактовым сигналом. Для этого в ФАПЧ используется так называемый компаратор, который отслеживает фазовое соотношение между собственным и входящим тактовыми сигналами.

Как и в случае с любым электронным устройством, существует множество способов применения ФАПЧ, но то, что отличает одну конструкцию ФАПЧ от другой, выходит за рамки данной статьи. Для наших целей мы будем придерживаться базовых основ, которые конечные пользователи смогут использовать при работе со своими цифровыми системами.


Если тактовый сигнал входящих данных имеет высокий уровень джиттера (фазового дрожания), то это создает определенные проблемы. Правильно сконструированная ФАПЧ-система будет синхронизироваться с входящим тактовым сигналом и в то же время максимально игнорировать его джиттер. Если вам когда-нибудь приходилось видеть, как заклинатель змей находит такое место, в котором кобра еще не атакует, но и не уползает — у вас есть некоторое представление о том, как правильная система ФАПЧ делает свое дело.

Следующей подходящей аналогией может служить круиз-контроль автомобиля, который необходимо постоянно настраивать, обеспечивая плавность хода. Если круиз-контроль слишком чувствительный, автомобиль будет постоянно ускоряться и замедляться, если же он недостаточно чувствителен — машина будет терять требуемую скорость.


ФАПЧ внутри цифрового аудиоконвертера (ЦАПа) работает аналогично тому, как заклинатель змей справляется с коброй, находя золотую середину, в которой змея становится полностью неподвижной

Правильно сконструированная медленная система ФАПЧ будет точно синхронизироваться с временной разверткой входного сигнала, но не будет воссоздавать его джиттер. Также можно сказать, что медленные ФАПЧ-системы тоже являются прозрачными, так как они представляют исходные данные без джиттера устройства-источника. По сути, ЦАПы могут иметь один из двух различных типов прозрачности: а) прозрачность, которая показывает джиттер устройства-источника; б) прозрачность, игнорирующая этот джиттер источника. Какая из них лучше, зависит от того, что именно мы хотим услышать.


Мы приводим здесь сравнительно упрощенный взгляд на то, как работают быстрые и медленные системы ФАПЧ, но для наших целей этого вполне достаточно. Мы считаем, что производителям конвертеров (ЦАПов) стоило бы рассказать нам о степени прозрачности, которой они стремятся достичь в своих устройствах

Поскольку обычно нам нужно минимизировать джиттер, в большинстве случаев мы будем довольствоваться медленной ФАПЧ, игнорирующей входной джиттер, но в отдельных случаях для мониторинга цифро-аналогового преобразования вполне может пригодиться и быстрая ФАПЧ, которая воспроизводит джиттер источника сигнала. Если бы у нас была такая возможность, то все мы наверняка предпочли бы ЦАПы с регулируемой ФАПЧ, что позволило бы нам по необходимости делать выбор между обоими типами прозрачности. Также не лишним видится наличие документации, описывающей тип ФАПЧ в каждом конкретном устройстве.

Еще одно важное понятие, которое следует учесть, — это фазовый шум. Грубо говоря, если джиттер — это несогласованность во времени, то фазовый шум — это несоответствие по частоте, являющееся следствием джиттера. В контексте нашего разговора, джиттер и фазовый шум — это в значительной степени взаимозаменяемые понятия, однако мы все попытаемся разграничивать эти явления в зависимости от контекста.


Понимание взаимосвязи между временной и частотной областями необходимо для более глубокого понимания работы ЦАПов. Для наших целей полезно иметь хотя бы поверхностное представление о том, как джиттер в тактовом генераторе (эффект во временной области) превращается в фазовый шум (частотная область). Это позволит нам представить, как генераторы тактовых импульсов влияют на аудиосигналы

Как правило, практически все, что разработчик ФАПЧ может сделать для уменьшения джиттера/фазового шума, положительно скажется на аудиосистеме в целом. Поэтому разработка ФАПЧ всегда остается главной задачей для конструкторов, когда дело касается минимизации джиттера. Более полное понимание природы ФАПЧ в наших цифровых аудиосистемах поможет нам тоньше воспринимать их звучание, а также учесть все эти важные моменты при совершении покупки.

Долговременная и кратковременная стабильность тактового генератора

Как и в случае с ФАПЧ, даже поверхностное представление о тактовых генераторах поможет нам стать более информированными пользователями и потребителями в данном вопросе.

Технические специалисты делают акцент на долговременной и кратковременной стабильности генератора тактовых импульсов, что напрямую зависит от того, в какой именно сфере этот генератор будет использоваться. Долговременная стабильность выражается в том, насколько сильным будет уход/изменение (drift) частоты генератора по истечении длительных периодов времени — зачастую они измеряются промежутком в 1 000 лет.

Кратковременная стабильность показывает, как будет изменяться частота тактовых импульсов за экстремально малые доли секунды. Наибольшую важность для аудио представляет кратковременная стабильность, так как мы хотим, чтобы наши единицы и нули передавались как можно более равномерно (стабильно) во времени, в то время как изменение точности сигнала по истечении 1 000 лет не имеет для нас никакого значения.

На деле, кварцевые генераторы имеют очень хорошую кратковременную стабильность, но сравнительно низкую долговременную стабильность, поэтому именно их большинство разработчиков использует для аудио. Эти генераторы довольно сложны, но в итоге они обеспечивают прямоугольную волну с такой же частотой дискретизации, с которой работают ФАПЧ и прочие устройства в преобразователе.


Так называемые атомные клоки генерируют высокочастотную синусоидальную волну в 10 МГц, которая далее может использоваться совместимыми с ними тактовыми генераторами, предназначенными для аудио. В большинстве конфигураций 10-МГц генераторы представляют собой автономные устройства, которые отправляют свой сигнал либо в устройство Word Clock, совместимое с 10 МГц (на рынке Pro-аудио их всего несколько), либо на внутренний клок ЦАПа.

На данный момент только Antelope производит профессиональные преобразователи, совместимые с 10 МГц. Новый Antelope 10MX вмещает в себя оба устройства: генератор (10 МГц) и Word Clock, которые находятся в едином блоке высотой 1RU (для монтажа в рэковую стойку). Такое решение впервые используется на рынке профессионального аудио.


Принцип работы рубидиевого генератора довольно сложен, но его основы помогают нам понять, как и почему два отдельно взятых тактовых генератора с частотой в 10 МГц могут функционировать так по-разному. Внутри тактового генератора имеется кварцевый генератор (в некоторых применяются кристаллы с частотой 10 МГц, в других — кратные 10 МГц).

Внутри тщательно контролируемой нагретой камеры находится немного рубидия, который будет выдавать исключительно стабильный высокочастотный сигнал, обеспечивающий долговременную стабильность кристалла. Поэтому кварцевый генератор может генерировать очень точную синусоидальную волну с частотой в 10 МГц.


Рубидиевые генераторы — это сложнейшие устройства, поэтому разработка такого клока представляет собой тонкую задачу. Для контроля всех процессов внутри генератора на 10 МГц используется множество ФАПЧ и прочих сложных устройств — вообразите себе группу заклинателей змей, удерживающих на месте многоголовую змею, и вы получите смутное представление о том, что на самом деле происходит внутри рубидиевого генератора на 10 МГц. Остальная часть конструкции связана с питанием и портированием данного клока для получения на выходе чистой синусоидальной волны с частотой в 10 МГц.

Единственное, что мы определенно точно можем сказать о тактовых генераторах на 10 МГц: они представляют собой гораздо более сложные устройства, чем стандартные клоки на основе кристалла. Одна из причин такой сложности связана с достижением долговременной стабильности, которая, насколько нам известно, не улучшает качество звучания.

В конечном итоге мы придем к выводу, что частота в 10 МГц для аудио была маркетинговой уловкой. Однако для обоснования этого вывода важно пройти тщательный процесс не слепого прослушивания, а также понять некоторую логику в том, как технология с применением клоков на 10 МГц оказалась серьезно воспринята аудиосообществом.

Как прослушивать клоки

Как бы мы ни приветствовали необходимость объективного измерения с использованием соответствующих измерительных инструментов и, в меньшей степени, двойного слепого тестирования, обычный не слепой способ прослушивания остается методом, с помощью которого подавляющее большинство людей будет оценивать аудиоаппаратуру, включая клоки и ЦАПы.

Оценка не слепого прослушивания всегда строится на отдельных наблюдениях, однако мы могли бы помочь пользователю лучше понять, как мыслить и передавать свои собственные субъективные впечатления, а также обеспечить взаимопонимание между сторонниками субъективного и объективного подхода. Таким образом мы бы продвинулись вперед в этом затяжном разговоре о цифровом аудио.

При рассмотрении чего-либо столь же утонченного (но широко распространенного), как синхронизация, акцентирование внимания на параметрах звучания, подверженных влиянию тактовых генераторов, поможет слушателям с любым уровнем знаний и опыта развить свой слух, а также предоставит нам полезный словарный запас терминов, который поможет описать то, что мы слышим. Мы полагаем, что эстетическое чувство может быть развито лучше при надлежащем руководстве и что фокусировка нашего внимания на специфических аспектах сенсорных раздражителей в конечном счете поможет нам стать экспертами.

Ниже приведен список характеристик звучания, которые могут быть услышаны при смене генераторов тактовых импульсов в цифровой системе. В целом, мы уверены, что улучшения любого из этих параметров, вероятнее всего, указывают на уменьшение уровня джиттера.

Мы перешли на описательные формулировки, которые обычно можно услышать от аудиофилов или которые ассоциируются с ними. Мы считаем, что рекорд-мейкеры и далее будут пользоваться этим описательным языком и даже копаться в аудиофильских словарях в поисках лингвистических новшеств.

Развитие языка, который мы используем для описания более тонких аспектов того, что мы слышим, будет только способствовать обмену впечатлениями друг с другом, а также с разработчиками продуктов, которые могли бы использовать наши описания для создания своей техники. Подобный язык всегда будет тем материалом, с помощью которого мы наводим мосты между субъективной и объективной перспективами.

Но мы все же сделаем оговорку: если вы не слышите различий при прослушивании разных тактовых генераторов — это ваш субъективный опыт. Не слышать разницу столь же актуально и важно, как и слышать ее — ведь ключевой аспект здесь состоит в том, чтобы стать опытным экспертом и не позволить чужому мнению склонить вас к тому, чтобы услышать то, чего нет.

Итак, вот плод полугодового рукоблудия .

Чего в ней нет:
Электронного регулятора мощности. Я его даже сделал, только вот ближе 3-х метров от печки он работать не захотел. Нужно всё нормально экранировать. может быть когда-нибудь.

Что она умеет:
Плавить алюминий, сталь, медь.

Синус- напряжение на ММС, прямоугольный сигнал- средняя точка делителя.
Как можно видеть, переключение происходит при "0" тока, ну или практически при "0".
В конце видео видна вспышка пламени- сорвало шланг охлаждения и индуктор перегрелся. В норме этого, естественно, не происходит.

Так что теперь это дело надо облагородить, сделать песчаную ловушку, фронтальный тепловой экран, и можно пробовать организовать левитационную плавку.

Читайте также: