О важности правильного выбора опорного генератора для FPGA при разработке приложений для аудио, видео
Предыстория
Как-то потребовалось в одно чисто аналоговое устройство добавить возможностей. Затея была такова, что был совершенно очевиден факт, что результат может быть достигнут только цифровыми методами.
Устройство было достаточно сложным. Чтобы как-то оценить работу добавления, не нарушив функциональности уже отлаженной аналоговой части, появилась идея сделать модуль, который можно было бы испытать, а потом, в случае успеха, вставлять в уже работающий прибор. А если затея не получилась бы, то вместо модуля воткнуть заглушку, обеспечить прозрачный режим.
Схемотеника
Поскольку полное устройство должно было работать независимо от того, есть дополнительный модуль или нет, то очевидно, что на входе модуля должен был быть установлен АЦП, а на выходе — ЦАП.
Как следует из рисунка, на входе установлен АЦП типа ADC12020, на выходе — ЦАП типа DAC7821. Некоторое неудобство создавалось тем, что ADC12020 имеет дифференциальный вход. Но это неудобство оборачивается подавлением синфазных шумов и помех, что немаловажно для полного динамического диапазона.
Реализация
Модуль бы реализован в виде 4-слойной платы с габритами 50х30 мм, с 19х2 контактами с шагом 2.54 мм. Т.е. модуль может монтироваться с помощью розеток для обычных штыревых разъёмов.
Меняя чип 10Mxx, можно строить устройства различной степени сложности при тех же габаритах и интерфейсе.
Проблема
В первой реализации были использованы опорные кварцевые генераторы из магазина «Кварц», на которые даже не было данных, кроме частоты.
Тестирование модулей показало, что всё задуманное работает. Однако при соединении полных изделий по линии связи (а речь в данном случае идёт про трансиверы) оказалось, что связь не работает, либо работает на скоростях значительно ниже тех, которые должны были быть. Внимательное исследование обнаружило, что имеются некие отклонения в граничных частотах синтезированных фильтров и выходных частотах модуля.
Обнаружилось, что причина этого — разброс частот опорных кварцевых генераторов до 10 кГц от номинала.
Сигнал имел довольно сложную структуру с модуляцией QPSK, принимался специализированным чипом, в котором заложена подстройка по частоте, но гораздо более узкая, чем получившиеся отклонения. Соответственно, приём был не возможен.
Путём замера конкретной частоты конкретного генератора и записи этой конкретной частоты в программу конфигурирования FPGA удалось устранить выявленную проблему.
В работе [1] показано влияние отклонения частоты на качество приёма.
Решение
Стандартные кварцевые генераторы, которые в избытке имеются на рынке, имеют вот такие параметры, как, например, генераторы от Seiko Epson[2]:
Видно, что лучший параметр, это 2х10-5, что на несущей частоте 50 МГц даёт значение отклонения 1 кГц, что может быть весьма критичным. В таблице также нет такого параметра, как выбег частоты по включении генератора.
Поиск на рынке по заданным параметрам отклонения частоты и возможности приобретения привёл к изделиям компании Taitien. На рисунке даны параметры серии TCXO[3]:
Из таблицы видно, что точность частоты по крайней мере на порядок выше, чем у стандартных кварцевых генераторов.
В результате стало возможным устанавливать связь между двумя устройствами без установки точной опорной частоты в FPGA. Реально используется генератор типа TYETBCSANF, который, правда, имеет выход в виде клипированной синусоиды. Но это преодолевается с помощью несложной схемы.
Заключение
При проектировании радиотехнических систем на базе FPGA нужно обращать внимание на качество опорного генератора, его стабильность. И выбирать опорный генератор в соответствии с требованиями к точности по частоте.
Опорный генератор на кварцевом резонаторе работает на частоте параллельного резонанса. Конденеатор С1 позволяет подстраивать в узком диапазоне частоту ОТ. [1]
Опорный генератор на кварцевом резонаторе работает на частоте параллельного резонанса Конденсатор С4 позволяет подстраивать а узком диапазоне частоту опорного генератора. [2]
Опорный генератор на кварцевом генераторе работает на частоте параллельного резонанса. Конденсатор С5 позволяет подстраивать в узком диапазоне частоту кварцевого генератора. [3]
Опорный генератор и ИДК имеют автономное питание. Питание остальной аппаратуры возбудителя обеспечивается двумя независимыми источниками питания. В каждом источнике питания стойки применяется параметрическая стабилизация питающих напряжений с использованием кремниевых стабилитронов. [5]
Опорный генератор работает на фиксированной частоте. В колебательный контур измерительного генератора включены прецизионный отсчетный конденсатор и емкостный датчик. Колебания с частотами f1 и / 2 от обоих генераторов поступают на смесительный каскад. Разностная частота А / после усиления поступает на индикаторный каскад, где сравнивается с частотой сети 50 гц. [6]
Опорный генератор обеспечивает создание колебаний необходимого диапазона с высокой стабильностью частоты. Колебания от опорного генератора используются для стабилизации частоты ведомого генератора с невысокой стабильностью. Сравнивающее устройство вырабатывает напряжение, которое через реактивный элемент ( например, лампу или варикап) воздействует на настройку контура ведомого генератора, автоматически приводя его частоту к частоте опорного генератора. [7]
Опорный генератор частоты Q воздействует через управляющее устройство ( электронное или механическое) на фазовращатель, который равномерно изменяет фазовый сдвиг со скоростью ср Q. [8]
Кварц опорного генератора термостатирован. Его третья гармоника примерно соответствует средней частоте измерительного кварца. [9]
Фаза опорного генератора также не влияет на результат измерения сдвига фаз коммутируемых напряжений. [11]
В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.
В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор
Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:
Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 –4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)
Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением кварцевых резонаторов. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе
В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной схеме Колпитца. Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять эмиттерную стабилизацию. Часто оказывается вполне достаточно и коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Подобная схема приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима
Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 –5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы
Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.
Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 –5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10′) приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры
Нестабильности частоты 1*10 –5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.
Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.
В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 –6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)
В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)
В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 –6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.
Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией
Опорный генератор для СЧ и ВЧ синтезаторов радиочастот
Сергей Комаров, UA3ALW
Опорный генератор предназначен для формирования сигналов двух стабильных частот для разных сеток в различных цифровых синтезаторах. В частности, он может быть использован в составе синтезаторов для индивидуального радиовещания при формировании как средневолновой вещательной сетки 9 кГц (для диапазона 1449 – 1800 кГц), так и коротковолновой 5 кГц (для диапазона 2000 – 26100 кГц). Область применения опорного генератора этим не ограничивается. Возможность использовать интегральные генераторы и кварцевые резонаторы на различные частоты совместно с широким диапазоном коэффициентов деления позволяет использовать эту конструкцию для очень многих применений. Стабильность частоты определяется примененным термокомпенсированным кварцевым генератором ГК321-ТК-К-9М-5В фирмы «БМГ-кварц» и составляет 0,5 х 10-6 в диапазоне температур минус 10°…+60°С.
Структурная схема опорного генератора включает в себя кварцевый генератор и делитель с переменным коэффициентом деления, программируемый переключаемыми наборами перемычек, соответствующими двум коэффициентам деления для формирования разных опорных частот (двух сеток частот синтезатора). Первый коэффициент деления может быть выбран любым четным в диапазоне от 2 до 512, второй – любым, кратным 4 в диапазоне от 4 до 1024. Выбор коэффициента деления (сетки частот) производится переключателем на 2 положения П4 «Сетка». Возможно также использование управляющего сигнала с ТТЛ уровнями.
В случае невозможности приобретения интегрального высокостабильного кварцевого генератора, его можно заменить на автогенератор, собранный на дискретных элементах и ИС, который также имеется в предлагаемой схеме. Однако стабильность формируемых частот будет хуже. Выбор используемого кварцевого генератора производится с помощью перемычки П1.
Принципиальная схема. Интегральный термокомпенсированный кварцевый генератор А2 типа ГК321-ТК-К-9М-5В включен по схеме рекомендованной предприятием изготовителем. Дополнительно цепь его питания развязана ВЧ дросселем Др1 и двумя блокировочными конденсаторами С2 и С3. Нагрузкой генератора является буферный каскад на логическом элементе 3И-НЕ включенном инвертором ИС 533ЛА4 (D1).
Альтернативный кварцевый генератор выполнен на двух ТТЛ элементах той же ИС (D1) по схеме несимметричного мультивибратора с кварцем в цепи обратной связи. Во втором плече мультивибратора используется интегрирующая цепочка (R2C4) с частотой среза 2Fкв для предотвращения возбуждения кварцевого резонатора на гармониках. При использовании кварцевых резонаторов на другие частоты емкость интегрирующего конденсатора C4 должна быть пересчитана в обратной пропорции. То есть, для кварцевого резонатора на частоту 4,5 МГц она должна составлять 30 пФ.
Программируемый делитель частоты выполнен на двух параллельных синхронных двоичных счетчиках 533ИЕ10 (D2D3) и двух триггерах микросхемы 533ТМ2 (D4). По переполнению (переход из 255 в 0), на выходе переноса старшего счетчика D3 формируется сигнал логической единицы, который приходит на вход 13 D5. Сигнал с выхода старшего разряда младшего счетчика D2 (вывод 11), поступающий на входы 1 и 2 D5, при каскадировании ИС счетчиков предотвращает десинхронизацию (накопление задержки) отрицательного фронта импульса переноса, что улучшает стабильность фронта выходных импульсов и, как следствие, снижает фазовый шум выходного сигнала опорного генератора. Результирующий сигнал инвертируется логическим элементом и с вывода 12 D5 поступает на синхронные входы параллельной загрузки (9) счетчиков D2 и D3, заранее установленным кодом с перемычек. По пришествии следующего синхроимпульса производится загрузка, и дальнейший счет начинается с загруженного числа.
К примеру, если на все D входа счетчика подать потенциал логической единицы, то при переполнении в него будет записываться состояние 255 и досчитать до нового переполнения ему останется лишь единицу. То есть, в этом случае мы получим коэффициент деления 256 – 255 = 1. При других логических комбинациях запаянных на перемычках, в счетчик будет записываться некое число X, которое будучи вычтенным из полного числа счета 256 даст искомый коэффициент деления. N = 256 – X. На выходе счетчика с переменным коэффициентом счета установлен дополнительный двухразрядный двоичный счетчик на D триггерах (D4), который добавляет к коэффициенту счета или множитель 2 (получаем N1), или множитель 4 (получаем N2). При включении переключателя П4 в положение Fоп1 на шину [9] поступит потенциал логического нуля и все D входа счетчиков соединенные с ней сменят потенциал с единицы на ноль. Аналогичное действие произойдет при включении переключателя П4 в положение Fоп2, с той лишь разницей, что потенциал логического нуля поступит на шину [5]. Таким образом, имея 4 шины:
[0] – ноль в обоих случаях N1 и N2; [1] – единица в обоих случаях N1 и N2; [9] – ноль для N1 и одновременно единица для N2; [5] – ноль для N2 и одновременно единица для N1;
можно запрограммировать на перемычках две восьмиразрядных логических комбинации и переключать их с помощью одной группы контактов П4 или попеременной подачей логического нуля на шины [9] и [5]. Помимо управления коэффициентом деления, шины [9] и [5] управляют буферными логическими элементами повышенной мощности ИС 530ЛА4 (D5), подключая к выходу опорного генератора либо выход первого, либо второго D триггера 533ТМ2 (D4). Таким образом, на выходах D5 формируется последовательность импульсов с частотой Fоп1 (вывод 6 D5), либо с частотой Fоп2 (вывод 8 D5).
В схеме также присутствует дополнительная возможность использовать любой коэффициент деления в диапазоне от 1 до 256 через 1 (Fоп3), но этот выходной сигнал имеет форму не меандра (как у Fоп1 и Fоп2), а коротких положительных импульсов, длительностью в один период Fкв.
Питается вся схема от встроенного стабилизатора напряжения на микросхеме А1 КР142ЕН5.
Программирование коэффициента деления. Допустим, что мы хотим использовать этот опорный генератор для синтезатора С9-1449-1800. Для него опорная частота должна быть 45 кГц. В этом случае частоту кварцевого генератора надо поделить в 9000 / 45 = 200 раз. Отдав 4 раза на счетчик на 533ТМ2, получим, что на ДПКД приходится 50 раз. Максимальный коэффициент счета восьмиразрядного двоичного счетчика – 256. Чтобы он считал до 50, необходимо при каждом переполнении записывать в него комбинацию X = 256 – 50 = 206. В двоичном коде это число будет иметь следующую комбинацию:
X = 206 = 128 х 1 + 64 х 1 + 32 х 0 + 16 х 0 + 8 х 1 + 4 х 1 + 2 х 1 + 1 х 0 = 1100 1110.
Поскольку для синтезатора С9-1449-1800 вторую опорную частоту формировать не надо, то набор перемычек П2 и П3 будет таким (младший разряд кода у счетчика сверху по схеме):
В этом случае второй набор перемычек не будет задействован и переключатель П4 «Сетка» будет переключать лишь выходы дополнительного делителя, на одном из которых будет меандр с частотой 45 кГц, а на другом – 90 кГц.
Если же мы хотим запрограммировать ДПКД для получения двух опорных частот, например, 10 и 36 кГц (удвоенная КВ сетка 5 кГц и учетверенная СВ сетка 9 кГц), тогда более низкую частоту будем формировать на втором выходе с дополнительным делителем на 4), а более высокую – на первом с дополнительным делителем на 2.
Для Fоп1 = 36 кГц: Коэффициент деления N1 = 9000 / 36 = 250. С учетом дополнительного делителя на 2 на долю ДПКД приходится 250 / 2 = 125. Чтобы он считал до 125 в него каждый раз при переполнении надо записывать число X = 256 – 125 = 131. В двоичном коде:
X = 131 = 128 х 1 + 64 х 0 + 32 х 0 х 16 х 0 + 8 х 0 + 4 х 0 + 2 х 1 + 1 х 1 = 1000 0011.
Для Fоп2 = 10 кГц: Коэффициент деления N2 = 9000 / 10 = 900. С учетом дополнительного делителя на 4 на долю ДПКД приходится 900 / 4 = 225. Чтобы он считал до 225 в него каждый раз при переполнении надо записывать число X = 256 – 225 = 31. В двоичном коде:
X = 31 = 128 х 0 + 64 х 0 + 32 х 0 х 16 х 1 + 8 х 1 + 4 х 1 + 2 х 1 + 1 х 1 = 0001 1111.
Далее подпишем два полученных двоичных числа друг под другом и сравним поразрядно: 131 = 1000 0011, 31 = 0001 1111. Имеем:
— старший разряд соединяем с шиной [5] – ноль для N2 и одновременно единица для N1; — седьмой разряд соединяем с шиной [0] – ноль в обоих случаях N1 и N2; — шестой разряд также соединяем с шиной [0] – ноль в обоих случаях N1 и N2; — пятый разряд соединяем с шиной [9] – ноль для N1 и одновременно единица для N2; — четвертый разряд соединяем с шиной [9] – ноль для N1 и одновременно единица для N2; — третий разряд соединяем с шиной [9] – ноль для N1 и одновременно единица для N2; — второй разряд соединяем с шиной [1] – единица в обоих случаях N1 и N2; — младший разряд соединяем с шиной [1] – единица в обоих случаях N1 и N2;
Далее выполняем перемычки, учитывая, что П2-1 – младший разряд, а П3-8 – старший.
Если же у Вас кварцевый генератор имеет другую частоту, кратную 5; 9 и 4 одновременно (это необходимо для формирования радиовещательных КВ и СВ сеток частот и с учетом дополнительного делителя на 2 и 4) или вы собираетесь его использовать для иных применений, то Вам придется эти расчеты выполнить самостоятельно под свои исходные данные.
Если же вместо перемычек П2 и П3 установить в схему два переключателя на 16 положений и с помощью их контактов формировать код загрузки, то получится многочастотный калибратор.
Конструкция. Опорный генератор рассчитан на широкое повторение и выполнен на двухсторонней печатной плате заводского изготовления размерами 90 х 35 мм, толщиной 1,5 мм с металлизированными отверстиями. При самостоятельном изготовлении печатной платы в домашних условиях придется выводы деталей пропаивать с обеих сторон, а в отверстия перехода печатного проводника с одной стороны на другую, впаять перемычки. Поскольку в данной конструкции применены микросхемы с планарным расположением выводов, то отверстий в плате не так уж много и ее самостоятельное изготовление по лазерно-утюжной технологии вполне реализуемо.
Перед установкой микросхем на плату их выводы необходимо отформовать с помощью пинцета, тонких длинногубцев, или специального формовочного приспособления по чертежу:
В конструкции опорного генератора предусмотрена возможность установки на ту же самую печатную плату, как интегрального кварцевого генератора, так и кварцевых резонаторов разных типоразмеров и дополнительных дискретных элементов. Расположение деталей и перемычек на плате с интегральным кварцевым генератором приведено на рисунке:
Расположение деталей и перемычек на той же самой плате, соответствующих автогенератору с кварцевыми резонаторами в трех вариантах корпусов и с дополнительными дискретными элементами показано на следующих рисунках:
При установке на плату кварцевых резонаторов в металлических корпусах под них необходимо подложить изолирующую прокладку из стеклотекстолита или толстого картона. Кварцевый резонатор в стеклянном баллоне следует перед установкой обмотать тремя – четырьмя слоями лакоткани. Крепеж кварцевых резонаторов осуществляется хомутиком из медной луженой проволоки, диаметром 0,6 – 0,7 мм, одетой в тонкий кембрик или во фторопластовую трубочку, диаметром 1 мм, запаянной в натяг в предусмотренные крепежные отверстия.
Детали. Резисторы МЛТ-0,125 или С2-23. Конденсаторы К10-17-1б и К53-18. Последний можно заменить на К50-35 или аналогичный импортный (например, фирмы Jamicon) с выводами в одну сторону. Для этого в плате имеется дополнительное отверстие для минусового вывода. Конденсатор с выводами на одну сторону можно установить как лежа, так и стоя. Защитный диод: КД212Б, КД106А (что предпочтительнее) или любой кремниевый на ток не менее 500 мА. Стабилизатор напряжения КР142ЕН5А или 7805. Формовка его выводов показана на рисунке:
В данной конструкции в зависимости от ее конкретного применения можно использовать интегральные кварцевые генераторы того же производителя и на другие частоты не выше 20 МГц.
В случае использования кварцевого резонатора и генератора на дискретных элементах, точная частота генерации устанавливается с помощью двух конденсаторов С6 и С7. Здесь также возможно изменение обоих номиналов, чтобы их сумма соответствовала точному значению частоты генерации.
В конструкции специально не используются подстроечные резисторы и конденсаторы для исключения нестабильности подвижного контакта и повышения надежности работы.
Предлагаемая универсальная конструкция открывает возможность для инженера или радиолюбителя собрать схему синтезатора (для которого используется этот опорный генератор) с любым, имеющимся кварцем, проверить его работу, после чего заказать интегральный генератор на точную частоту и установить его на той же плате.
