Структурная схема цвс

Простейший ЦВС представляет собой (рис. 4.1) последовательно включенные накопитель кода фазы (НКФ) (аккумулятор кода фазы), преобразователь кода (ПК) фазы к_ф в код ординаты к^ и цифроаналоговый преобразователь. Все цифровые узлы тактируются от опорного генератора (ОГ) с частотой f_r. На вход НКФ поступает код частоты k_f, а в регистр НКФ записан код начальной фазы к^. С каждым импульсом тактовой частоты в НКФ к текущему коду фазы прибавляется код частоты k_f, так что на выходе НКФ накапливается (рис. 4.2) код выходной фазы.

где / — текущий номер тактового импульса.

Если N_q — количество разрядов кода частоты, a R = 2^N* — объем счетчика, то за один цикл накопления до переполнения в НКФ пройдет M_Q = ent (2^N*lk_f) целых тактовых интервалов.

Форма выходного колебания на периоде записана в преобразователе ПК в виде зависимости кода ординаты k_s от кода фазы k_v

Рис. 4.1. Базовая структурная схема ЦВС.

(рис. 4.3). Разрядность A:_s обычно ниже, чем разрядность к₉, так как требования к погрешностям установки фазы выходного колебания значительно выше, чем требования к амплитудному шуму дискретизации по ординатам. Если возникает необходимость формирования двух гармонических ортогональных колебаний одинаковой частоты, то часть разрядов ПК может соответствовать, например, функции = sin [А:_ф(/)], а другая — функции k_c(i) =cos [&*(/)]• Для второго банка преобразователя кодов используется еще один ЦАП.

Рис. 4.2. Схема накопления кода фазы в ЦВС.

Выходное колебание ЦВС имеет ступенчатый характер и аппроксимирует с фиксированной погрешностью дискретизации по уровням и по времени нужную периодическую функцию времени. Фазовый шум, обусловленный квантованием фазы, определяется по формуле.

где — шаг квантования фазы.

Квантование по уровням в ПК создает амплитудный шум.

где п — количество выходных разрядов ПК, т. е. разрядность ЦАП.

В стандартных ЦВС используются выходные сигналы прямоугольной, треугольной, пилообразной или гармонической формы; заменой таблицы преобразователя кодов ПК можно создать синтезатор сигналов иной формы.

Рис. 4.3. График преобразования кода фазы к₉ в код ординаты В схеме ЦВС (см. рис. 4.1) фактически отсутствуют частотнозависимые узлы, поэтому диапазон значений частоты выходного сигнала может быть чрезвычайно широким: минимальная частота /min = Л /2** формируется при kf- 1, а максимальная приближается к половине частоты дискретизации: /_тах < /_Т / 2. Серийно выпускаются интегральные ЦВС с разрядностью фазы в НС от 32 до 48 при тактовой частоте до 300… 1000 МГц. Таким образом, выходная частота ЦВС может быть установлена с относительной погрешностью до 10^-14 в диапазоне от сотых долей герца до сотен мегагерц при неизменной относительной погрешности формы сигнала u (t) на периоде.

Средняя частота выходного сигнала ЦВС.

не превышает половины частоты тактирования Форма выходного сигнала ЦВС с частотой (4.2) приближается к расчетной (например, к гармонической), если выходная частота значительно ниже, чем тактовая (к/ «/?), а код частоты kf в целое число раз меньше, чем объем счетчика R. В этом случае в конце каждого цикла заполнения НС нет остатка. Если kf по величине сравнимо с R, то форма выходного колебания отличается от заданной гармонической. На рис. 4.4 приведены графики выходного сигнала ЦВС при значениях кода частоты, сравниваемых с объемом накопительного сумматора (белыми точками отмечены моменты выборок л, которые следуют через 1 нс). На рис. 4.4, я—в код частоты в целое число раз меньше объема счетчика, а на рис. 4.4, г отношение k_f/R = 0,407 является несократимой дробью.

Период такого колебания определяется наименьшим общим кратным чисел k_f и R (для сигнала, представленного на рис. 4.4, г, он составляет 407 000 интервалов тактирования. Таким образом, выходной сигнал ЦВС всегда будет периодическим, если время наблюдения достаточно велико.

При рассмотрении вариантов формы выходного сигнала ЦВС на рис. 4.4 при значениях рабочей частоты, сравнимых с//2, надо иметь в виду, что на этих графиках соседние отсчеты, обозначенные белыми точками, условно соединены между собой полигональной линией.

На выходе реального ЦВС кроме эквивалентной схемы ЦАП с запоминанием уровня предшествующего отсчета включают фильтр нижних частот с частотой среза, близкой к половине частоты дискретизации. Такой фильтр может быть реализован явно включенными сосредоточенными реактивными компонентами или может отражать ограниченность полосы пропускания выходной цепи ЦВС. В результате этого форма выходного колебания ЦВС приближается к гармонической.

Рис. 4.4. Графики выходного сигнала ЦВС при значениях кода частоты, сравнимых с объемом накопительного сумматора (точками отмечены моменты выборок в ПК):

а — 125: 1000; б — 250: 1000; в — 333: 1000; г — 407: 1000; п — номер отсчета; и (г) — выходное напряжение ЦВС

Рис. 4.5. Осциллограммы сигнала с частотой 333,(3) МГц при тактовой частоте 1000 МГц на выходе ЦВС (о) и на выходе ФНЧ типа Чебышева 6-го порядка с неравномерностью АЧХ 0,01 дБ при частоте среза 350 МГц (б).

Рис. 4.6. Спектрограммы выходного сигнала ЦВС на микросхеме AD9834 с тактовой частотой 50 МГц: а — для/т//_вых = 3; б — дляЛ//_Вых * 10,4166…

На рис. 4.5, а представлен вид вычисленной на модели осциллограммы сигнала на выходе ЦВС, синтезирующего частоту 333,(3) МГц при тактовой частоте 1000 МГц, а на рис. 4.5, б — на выходе ФНЧ типа Чебышева 6-го порядка с неравномерностью АЧХ 0,01 дБ при частоте среза 350 МГц. Форма сигнала на выходе ФНЧ заметно ближе к гармонической. Технические погрешности реализации ЦАП могут приводить к дополнительным искажениям выходного сигнала в виде выбросов напряжения («глитчей») в моменты перехода на новый отсчет.

Степень близости формы выходного сигнала ЦВС к гармонической принято оценивать по ширине спектральной линии для большого отрезка реализации сигнала. Наличие остатка от деления R на Ау-приводит к погрешностям, которые искажают форму выходного сигнала ЦВС, а в спектре создают паразитные спектральные составляющие. Для корректной оценки ухудшения качества выходного сигнала ЦВС из-за ПСС дробности используют в качестве параметра величину свободного от искажений динамического диапазона (SFDR — Spurious-Free Dynamic Range), т. е. превышение СПМ основной спектральной линии над СПМ наибольшей дискретной ПСС. На рис. 4.6, а показаны спектрограммы выходного сигнала ЦВС на микросхеме AD9834 при тактовой частоте 50 МГц.

Хотя частота выходного сигнала в первом случае более чем в 3 раза выше, чем во втором, его динамический диапазон составляет 82 дБ. В то же время для сигнала с частотой 4,8 МГц он снижается до 50 дБ. Причина такого противоречия в том, что для получения выходной частоты 4,8 МГц при тактировании с частотой 50 МГц установлен код частоты, не кратный объему накопительного сумматора.