Цифровой синтезатор с косвенным синтезом (ФАПЧ)

В качестве примера применения цифрового синтезатора с косвенным синтезом (ФАПЧ) рассмотрим случай, когда нам необходимо при помощи компьютера дистанционно управлять частотой гетеродина, входящего в состав радиостанции (передатчика или трансивера) коротковолнового диапазона. Пусть гетеродин должен перестраиваться с шагом 1 кГц в диапазоне частот 4…8 МГц, разбитом на два поддиапазона: 4…6 МГц и 6…8 МГц. Такой синтезатор может быть выполнен на основе ИМС TSA6057 фирмы «Philips Semiconductors», которая отличается простотой управления и приемлемым качеством работы.

Структурная схема устройства цифрового управления частотой радиостанции на основе ИМС TSA6057 показана на рис. 8.3.1. Данная ИМС управляет частотой транзисторного ГУН путем изменения напряжения на его варикапной матрице и изменяет поддиапазон частот ГУН за счет установления по команде пользователя логического уровня специального выхода микросхемы BS (Band Selection):

- при BS = 1: 6…8 МГц;

- при BS = 0: 4…6 МГц.

Рис. 8.3.1

Все переключения состояний внутренних регистров и управляющих битов в микросхеме синтезатора производятся по команде с персонального компьютера, связанного с устройством через интерфейс RS-232C. Для преобразования команд, приходящих с компьютера, в формат шины I²C, используемой в ИМС TSA6057, можно применить микроконтроллер AT90S2313 фирмы ATMEL. Микроконтроллер подключен к входам шины I²C ИМС синтезатора напрямую с использованием подтягивающих резисторов, а для преобразования уровней интерфейса RS-232C в логические уровни ТТЛ и обратно используются соответствующие транзисторные ключи и компаратор на операционном усилителе.

Каждое устройство, участвующее в обмене данными по шине I²C, должно иметь свой уникальный адрес (байт), по которому оно распознает адресованные ему пакеты данных. Поскольку адресных линий в шине I²C нет, а все имеющиеся устройства подключены к двум общим для всех них линиям SCL (синхронизация) и SDA (данные), как показано и на рис.8.3.1, то байт адреса передается ведущим устройством («Master») в начале каждого цикла передачи данных (рис.8.3.2). Распознав свой адрес, соответствующее ведомое устройство («Slave») отвечает ведущему битом подтверждения «А», после чего ведущее устройство начинает передавать ведомому (или принимать от ведомого) байты информации. Пересылка каждого байта должна заканчиваться таким же битом подтверждения «А».

Рис. 8.3.2

Начинается цикл обмена Start-условием, заканчивается Stop-условием. Оба эти условия, как и бит подтверждения, на шине I²C задаются определенным сочетанием фронтов и уровней на линиях SDA и SCL. Программа, формирующая пакеты информации по этим правилам, находится в микроконтроллере.

Как правило, устройства, управляемые по шине I²C, выпускаются с уже записанными в них Slave-адресами. У ИМС TSA6057 предусмотрена возможность выбора одного из двух адресов, в зависимости от значения логического уровня на выводе AS микросхемы (рис.8.3.1):

- AS = 0 Slave-address = 11000100₂ = C4₁₆;

- AS = 1 Slave-address = 11000110₂ = C6₁₆.

В данном случае, как видно из схемы рис.8.3.1, вывод AS подключен к высокому уровню, поэтому начинать обращение к ИМС синтезатора следует только со Slave-адреса 11000110, в противном случае синтезатор не станет реагировать на передаваемые ему команды.

Управляющие байты ИМС TSA6057 бывают четырех типов, называются они DATA0, DATA1, DATA2, DATA3, в каждом из них содержится свойственная только этому байту информация (рис.8.3.3).

Рис.8.3.3

Возможны три комбинации управляющих байтов, они показаны в верхней части рис.8.3.3. Под субадресом здесь понимается байт, который передается после Slave-адреса и принимает три возможных значения:

- 00000010, т.е. субадрес 02, если передаются DATA2, DATA3;

- 00000000, т.е. субадрес 00, если передаются DATA0, DATA1;

- 00000011, т.е. субадрес 03, если передаются DATA3, DATA0, DATA1, DATA2.

Последний формат самый полный, но для сокращения времени передачи информации иногда полезны и сокращенные форматы 02 или 00.

Что касается байта DATA3, то все его биты рекомендуется программировать нулями. Этот байт используется для тестирования при производстве микросхемы, пользователям он не нужен.

Внутренняя структура ИМС управления синтезатором TSA6057 показана на рис.8.3.4. Она представляет собой ФАПЧ-синтезатор с двухмодульным делителем и поглощающим счетчиком; функционирование синтезатора такого типа подробно рассмотрено в параграфе 7.4. Из рисунка 8.3.4, в частности, ясно, что к этой микросхеме могут быть подключены два отдельных ГУН:

а) диапазона 0,512…30 МГц (этот диапазон называется в документации на ИМС «АМ») – к выводам 15, 14, 7 (как на рис.8.3.1);

б) диапазона 30…150 МГц (этот диапазон называется в документации «FМ») – к выводам 13, 14, 5.

В данном устройстве имеет смысл использовать только один ГУН диапазона «АМ», поэтому соответствующим выбором управляющих битов нужно обеспечить именно его включение в петлю ФАПЧ синтезатора. Для этого ключ FM/AM (подходящий к выводу 15) должен быть замкнут, а ключ AM/FM (подключенный к выводу 13) – разомкнут. Состоянием этих ключей управляет бит, называемый . Для выбора диапазона «АМ» он должен находиться в состоянии «1».Это бит 4 управляющего байта DАТА2.

Кроме бита , необходимо правильно задать значение еще одного бита, отвечающего за выбор диапазона синтезатора – это бит , работающий следующим образом:

- при = 0 в качестве входного сигнала принимается напряжение со входа 7 (вход буферного усилителя БУ1), как это сделано на рис. 8.3.1;

- при = 1 в качестве входного сигнала принимается напряжение со входа 5 (вход буферного усилителя БУ2).

Таким образом, для получения диапазона «АМ» необходимо установить бит = 0. Это бит 5 управляющего байта DАТА2.

Шаг сетки частот f_ref устанавливается битами 7 и 6 управляющего байта DATA2, соответственно REF1, REF2 следующим образом:

В зависимости от выбранного значения шага f_ref само требуемое значение частоты устанавливается принадлежащими байтам DATA0…DATA2 битами S0…S16 для диапазона «FM» (который в нашем случае не используется) или S0…S14 для диапазона «АМ» по следующему правилу:

Бит «FM/AM»	Входные частоты	Диапазон
		АМ
		FM

Задав битами S0…S14 для диапазона АМ или битами S0…S16 для диапазона FM число и умножив его на значение шага сетки частот ( ), получим истинное значение частоты, которое синтезатор будет поддерживать на выходе ГУН. Важно отметить, что минимальное значение частоты, задаваемое битами S0…S14 в диапазоне АМ, составляет , т.е. 64, а битами S0…S16 в диапазоне FM − , т.е. 256.

Приведем пример установления частоты 5577 кГц:

1) записываем бит BS = 0, выбирая тем самым поддиапазон ГУН 4…6 МГц;

2) выбираем шаг сетки частот 1 кГц, установив REF2 = 0, REF1 = 0;

3) делим 5577 кГц на 1 кГц, получаем число 5577 и переводим его в двоичный код (удобно делать это с помощью встроенного калькулятора Windows): 5577₁₀ = 001010111001001₂;

4) записываем полученное число в соответствующие ячейки S14…S0 и отправляем пакет в синтезатор.

При условии правильного установления остальных управляющих битов, перечисленных выше, точность значения частоты на выходе синтезатора определяется только точностью настройки кварцевого резонатора, тактирующего ИМС TSA6057.

Из рис. 8.3.4 видно, что выход цифрового фазового детектора подключен к программируемому токовому усилителю вида «Charge Pump», см. параграфы 7.7 и 7.4. Такой каскад генерирует импульсы тока, величина которых для данной микросхемы может устанавливаться программно битом СР (младший бит байта DATA0):

- при СР = 0 выходной ток 5 мкА;

- при СР = 1 выходной ток 450 мкА.

Эти токовые импульсы используются для управления частотой ГУН (они сглаживаются в ФНЧ, см. рис.8.3.1). Обычно для установки частоты с целью сокращения переходного процесса устанавливают величину импульсов тока 450 мкА, а после окончания переходного процесса ток снижают до 5 мкА: это позволяет экономить потребляемую микросхемой синтезатора энергию.