Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов построения устройств синтеза частот с микропроцессорами. Применение микропроцессоров в синтезаторах прямого синтеза частот
1.1. Обзор методов построения цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) с микропроцессорами. Постановка задачи 11
1.2. Принцип построения МП синтезаторов, основанных на вычислении отсчетов синтезируемого сигнала
1.3. Методика расчета ЦСЧ» строящихся с использованием функций Уолша 30
1.4. Применение МП для синтеза сигналов прямоугольной формы...
Выводы по I главе 43
Глава 2. Исследование спектральных характеристик ЦСЧ прямого синтеза частот
2.1. Вводные замечания М
2.2. Исследование спектральных характеристик вычислительных ЦСЧ, обусловленных округлением отсчетов синтезируемого сигнала при отбрасывании ненулевых функций Уолша 45
2.3. Исследование влияния неточности цифро-аналогового преобразования на спектральные характеристики вычислительных синтезаторов частот 4
2.4. О возможности улучшения спектральных характеристик цифровых вычислительных СЧ
2.5. Сравнительный анализ спектральных характеристик вычислительных ЦСЧ 6Ї
Выводы по 2 главе 7В
Глава 3. Исследование синтезаторов косвенного синтеза частот с микропроцессорами 7?
3.1. Вводные замечания Ї7 -
3.2. Алгоритм управления коэффициентами деления делителей частоты двухкольцевого СЧ
3.3. Математическая модель двухкольцевого СЧ 86
3.4. Устойчивость двухкольцевого СЧ 36
3.5. Динамические характеристики двухкольцевого СЧ Ш
3.6. Алгоритм работы Ш двухкольцевого СЧ 116
3.7. Спектральные характеристики двухкольцевого СЧ Ш
Вывода по 3 главе
Глава 4. Вопросы практической реализации устройств синтеза частот с микропроцессорами 129
4.1. Вводные замечания
4.2. Микропроцессорная система для тестирования и отладки программ МП
4.2.1. Структурная организация МПС 430
4.2.2. Модуль генератора тактовых импульсов и система шин МПС 13<2
4.2.3. Индикаторный модуль
4.2.4. Оперативные запоминающие устройства МПС 135
4.2.5. Микропроцессорный модуль
4.3. Практическая реализация и экспериментальное исследование макетов микропроцессорных ЦСЧ прямого синтеза частот №1
4.4. Микропроцессорный блок управления двухкольцевым СЧ І55
Выводы по 4 глав
Заключение. І65
- Принцип построения МП синтезаторов, основанных на вычислении отсчетов синтезируемого сигнала
- Исследование спектральных характеристик вычислительных ЦСЧ, обусловленных округлением отсчетов синтезируемого сигнала при отбрасывании ненулевых функций Уолша
- Алгоритм управления коэффициентами деления делителей частоты двухкольцевого СЧ
- Микропроцессорная система для тестирования и отладки программ МП
Введение к работе
Современный этап развития радиотехники характеризуется, как известно, быстрым развитием и усложнением радиотехнических устройств и систем связи. Необходимость такого развития радиотехнических систем обусловлена решением как текущих народно-хозяйственных задач, так и задач, направленных на развитие техники связи в будущем. В этой связи в настоящее время актуальна задача разработки новейших высокоэффективных систем связи, удовлетворяющих повышенным требованиям. Для успешного решения этой задачи в современных условиях необходимо разрабатывать аппаратуру, обладающую большими функциональными возможностями.
Большое внимание в последнее время уделяется разработке высокоэффективной мобильной аппаратуры, предназначенной для работы в составе наземных транспортных средств, а также на борту летательных аппаратов. Для передачи сообщений в такой аппаратуре часто используют сложные сигналы, ширина спектра которых значительно превышает величину, необходимую для передачи сообщений. Применение сложных сигналов позволяет реализовать высокую помехоустойчивость системы связи и повысить эффективность ее работы. Вместе с тем усложнение передаваемого сигнала приводит к усложнению и приемных устройств, реализующих разнообразные алгоритмы оптимального приема таких сигналов. Поэтому большое развитие получают ЦВМ, непосредственно реализующие эти алгоритмы работы. В результате усложнения приемной и передающей аппаратуры комплекса связи возникают проблемы, связанные с уменьшением габаритов и веса аппаратуры. Это приводит к необходимости совершенствования всех устройств аппаратуры связи путем использования новейших достижений микроэлектроники и вычислительной техники.
Не являются исключением в этой смысле и синтезаторы частот (СЧ) - устройства, которые в настоящее время широко используются в радиотехнической аппаратуре как для формирования, так и для обработки сложных сигналов. Широкое использование СЧ в современной аппаратуре обусловлено тем, что они позволяют осуществить быструю смену большого количества частот по заданной программе и обеспечить выполнение современных жестких требований по электромагнитной совместимости.
В настоящее время известно два способа построения СЧ: метод прямого и метод косвенного синтеза частот. СЧ косвенного синтеза частот строятся на основе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем с переменным коэффициентом деления (Д1КД) и формируют дискретное множество выходных частот из одной опорной частоты. В СЧ, строящихся по методу прямого синтеза частот, выходные частоты формируются либо из нескольких опорных частот при помощи набора смесителей и фильтров, либо из одной опорной частоты при помощи цифровых методов.
Оба метода синтеза частот имеют свои преимущества и недостатки, поэтому развитие техники синтеза частот в настоящее время идет по пути совершенствования как синтезаторов прямого, так и косвенного синтеза частот. Причем в последнее время резко возрос объем исследований, связанных с разработкой полностью цифровых синтезаторов частот (СЧ). Получили дальнейшее развитие и вопросы улучшения основных параметров цифровых и аналого-цифровых СЧ, а также вопросы расширения их функциональных возможностей. Постоянное совершенствование СЧ на этой основе сопровождается усложнением их принципа действия и схем. Растет удельный вес использования в СЧ сложных ИС средней (СИС) и большой (ШС) степени интеграции. В составе современных СЧ все чаще используются ШС, специально разработанные для работы в СЧ-БЙС делителей с переменным коэффициен тон деления (ДШЩ), ШС фазовой автоподстройки частоты СФАПЧ), ШС аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя и другие.
Вместе с тем, непрерывное совершенствование технологии и схемотехники ШС в последние годы привело к созданию и развитию одних из наиболее универсальных ШС - микропроцессоров (МП). Появление этих элементов явилось логическим продолжением развития микроэлектроники от разработки специальных ШС к универсальным ШС МП, имеющих широкую область использования. Эти ШС, обладающие большими функциональными возможностями, нашли применение во многих областях техники. Отличительной особенностью МП устройств по сравнению с устройствами, построенными при помощи обычных ИС на основе жесткой логики, является гибкость их логических функций, а также повышенная надежность, малые габариты, низкая потребляемая мощность и стоимость.
Все это делает актуальным исследование вопросов, связанных с созданием устройств синтеза частот с использованием микропроцес-сов и МП комплектов. Применение МП возможно как в синтезаторах прямого, так и косвенного синтеза частот. Однако широкое внедрение МП в СЧ сдерживается их сравнительно низким быстродействием. Поэтому известные варианты использования МП в СЧ имеют ограниченную область использования или ориентированы на перспективное развитие микропроцессорной техники.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование возможности использования МП для .повышения эффективности СЧ прямого и косвенного синтеза частот, удовлетворяющих заданным требованиям по быстродействию и спектральным характеристикам, и разработка таких СЧ для аппаратуры радиотехнического комплекса связи. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд конкретных новых задач, включающих теоретические исследования и практическую разработку синтезаторов:
- рассмотреть вопросы, связанные с использованием МП в ЦСЧ с многоуровневым и двухуровневым вычислением отчетов синтезируеморо сигнала;
- выработать методику инженерного расчета таких ЦСЧ;
- исследовать спектральные характеристики ЦСЧ с многоуровневым вычислением отсчетов синтезируемого сигнала;
- рассмотреть вопросы, связанные с использованием МП в СЧ, построенных по методу косвенного синтеза частот;
- выработать рекомендации по использованию Ш в таких СЧ;
- изготовить макеты разработанных ЦСЧ прямого синтеза и МП блока СЧ косвенного синтеза частот и произвести их экспериментальное исследование.
Исследование возможности использования Ш для повышения эффективности СЧ, строящихся по методам прямого и косвенного синтеза частот, проводится на основе анализа известных вариантов использования Ш в таких СЧ и на основе анализа известных структурных схем СЧ.
При решении поставленных задач в диссертационной работе используется математический аппарат теории дискретных сигналов на конечных интервалах, аппарат рядов Фурье, разностных уравнений, методы анализа устойчивости дискретных динамических систем, моделирование на ЦВМ.
В связи с решением в работе ряда задач по разработке и исследованию микропроцессорных СЧ для мобильной аппаратуры радиотехнического комплекса связи, на защиту выносятся следующие положения:
I. Методика проектирования ЦСЧ с многоуровневым вычислением отсчетов при помощи матриц функций Уолша и методика инженерного расчета микропроцессорных ЦСЧ. Варианты использования Ш в качестве низкочастотного синтезатора сигналов прямоугольной формы и в ЦСЧ с многоуровневым вычислением отсчетов синтезируемого сигна ла. Техническая реализация микропроцессорных ЦСЧ прямого синтеза частот.
2. Теоретическое исследование спектральных характеристик ЫП ЦСЧ с многоуровневым вычислением отсчетов, обусловленные округлением отсчетов синтезируемого сигнала. Зависимость спектральных характеристик ЦСЧ от точности цифро-аналогового преобразования.
3. Математическая модель двухкольцевого СЧ косвенного синтеза частот. Области устойчивости СЧ.
4. Зависимость характера и длительности переходного процесса двухкольцевого СЧ от параметров его колец ИФАПЧ. Варианты использования микропроцессоров в СЧ. Выигрыш в скорости переключения СЧ при использовании блока МП управления. Исследование спектральных характеристик двухкольцевого СЧ и влияния на них управления параметрами СЧ. Техническая реализация МП блока двухкольцевого СЧ.
Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, состоящей из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, иллюстрированного 53 рисунками.
В первой главе произведен критический обзор методов построения ЦСЧ с МП. Рассмотрены принципы построения микропроцессорных ЦСЧ, основанных на вычислении отсчетов синтезируемого сигнала с использованием функций Уолша. Разработана упрощенная методика проектирования таких ЦСЧ при помощи матриц функций Уолша, а также методика инженерного расчета ЦСЧ с многоуровневым вычислением отсчетов. Рассмотрено использование ШС МП в качестве ЦСЧ с двухуровневым вычислением отсчетов.
Во второй главе произведено исследование спектральных характеристик вычислительных ЦСЧ, построенных с использованием функций Уолша. Рассматривается простой метод расчета спектральных составляющих ЦСЧ с многоуровневым вычислением отсчетов, обусловленных округлением отсчетов синтезируемого сигнала, а также исследуются спектральные составляющие ЦСЧ, обусловленные погрешностями установки весовых коэффициентов цифро-аналогового преобразователя 1Ч. Анализируются возможности уменьшения уровней спектральных составляющих ЦСЧ. Произведено сравнение спектральных характеристик указанных ЦСЧ с аналогичными характеристиками других вычислительных ЦСЧ.
В третьей главе для выяснения возможностей использования МП в синтезаторах косвенного синтеза частот произведено исследование двухкольцевого СЧ. Разработан алгоритм работы МП при установке требуемых коэффициентов деления делителей частоты двухкольцевого СЧ. Составлена математическая модель СЧ, определены области его устойчивости. Численным методом исследованы динамические характеристики синтезатора. В результате исследования СЧ сделан вывод о возможности использования МП для управления параметрами его колец с целью повышения скорости перестройки СЧ. Разработан соответствующий алгоритм работы МП. Рассмотрены спектральные характеристики СЧ. Показано, что реализация предложенного алгоритма управления параметрами двухкольцевого СЧ не повлияет на спектральные характеристики СЧ.
Четвертая глава диссертационной работы посвящена вопросам практической реализации и экспериментального исследования ЦСЧ с МП. В ней приводится описание установки для тестирования МП и проверки различных алгоритмов их работы. На основании материалов первых трех глав работы рассматриваются вопросы разработки и практической реализации макетов микропроцессорных ЦСЧ, удовлетворяющих конкретным техническим требованиям. Приводятся результаты экспериментального исследования спектральных характеристик макетов микропроцессорных ЦСЧ и их сравнение с теоретическими результатами. Рассмотрены вопросы разработки блока микропроцессор ного управления двухкольцевым СЧ.
Содержание диссертационной работы докладывалось ее автором:
- на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МЗИС в 1982 году;
- на школе-совещании молодых ученых и специалистов по стабилизации частоты в г.Звенигороде в 1983 году;
- на четвертом семинаре молодых ученых "Синтезаторы частоты" в г.Москве в 1981 году.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 5 печатных работах.
Внедрение результатов диссертационной работы Воронежским научно-исследовательским институтоы связи (ВНИИС), позволило получить годовой экономический эффект 22,1 тысячи рублей (на 50 изделий), что подтверждается соответствующим актом о внедрении. Кроме того, результаты работы используются в ЛНИИИ, что также подтверждается актом о внедрении.
Принцип построения МП синтезаторов, основанных на вычислении отсчетов синтезируемого сигнала
Одним из основных требований технического задания, предъявляемых к устройствам синтеза частот, разрабатываемых в настоящей диссертационной работе, является высокая скорость их перестройки при переключении частот. Поэтому ни один из рассмотренных выше вариантов применения МП в устройствах синтеза частот не может быть использован для решения поставленной технической задачи. Вместе с тем, в соответствии с техническим заданием в синтезаторах прямого синтеза частот должна быть обеспечена возможность управления фазой синтезируемого сигнала при переключении частот. В связи с этим за основу построения микропроцессорных ЦСЧ прямого синтеза частот был взят несколько отличающийся от рассмотренного в предыдущем параграфе настоящей работы способ синтеза частот, основанный на вы -Z5 числении выборочных значений синусоидального сигнала. В литературе этот способ синтеза частот иногда называют табличным, так как в ЦСЧ, строящихся на его основе, реализуется, как показано в [i] , алгоритм выборки значений синтезируемого сигнала из таблицы, записанной в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Структурная схеча ЦСЧ, основанного на вычислении выборочных значений синусоидального сигнала показана на рис. 1.8. В схеме НФ - накопитель фазы, КП - кодопреобразователь, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, ШЧ - фильтр низких частот. НФ представляет собой многоразрядный накапливающий сумматор, содержимое которого в каждый момент времени определяет фазу синтезируемого сигнала. КП необходим для преобразования кодов НФ в значения отсчетов синтезируемого сигнала. В качестве КП при синтезе небольшого количества частот в таких ЦСЧ используется ПЗУ, в которое записывается таблица отсчетов синусоиды. Однако при синтезе большого количества частот размеры таблицы отсчетов становятся непрактичными, поэтому в качестве КП в данном случае обычно используется вычислитель, обрабатывающий небольшой объем памяти. ЦАП и ФНЧ синтезатора не имеют особенностей.
Вычисление отсчетов синусоидального сигнала в ЦСЧ основано на традиционном представлении дискретных синусоидальных сигналов с помощью дискретных экспоненциальных функций и осуществляется под действием тактовых импульсов. При этом в моменты прихода тактовых импульсов вычисляются отсчеты сигнала, соответствующие его текущей фазе, а скорость накопления фазы (то есть частота синтезируемого сигнала) будет определяться кодом частоты, установленном на входах НФ.
Отсчеты синтезируемого синусоидального сигнала в ЦСЧ вычисляются сначала в виде двоичных кодов, формируемых из выходных кодов при помощи КН. Затем они преобразуются в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем с двоичными весами и сглаживаются ФНЧ. Поэтому с точки зрения способа представления отсчетов такие ЦСЧ можно назвать синтезаторами с двоичным представлением отсчетов синтезируемого сигнала. Это название в дальнейшем будет использоваться в настоящей работе с целью устранения возможной путаницы в терминологии, а также для упрощения ссылок на такие синтезаторы.
Из изложенного видно, что ЦСЧ, основанные на вычислении выборочных значений синусоидального сигнала, обладает богатыми возможностями по управлению параметрами выходного сигнала. Так, изменяя содержимое Ш, в них можно легко задавать фазу синтезируемого сигнала при переключении частот, а также осуществлять фазовую или частотную модуляцию- Нетрудно получить в таких синтезаторах и амплитудную модуляцию. Для этого достаточно подвести модулирующее напряжение к ЦАП, Вместе с тем, точное представление всех отсчетов синусоидального сигнала конечным числом двоичных разрядов в таких ЦСЧ невозможно Поэтому вычисление отсчетов синусоиды в них всегда осуществляется с ошибками. Кроме того, техническая реализация ЦСЧ» особенно при синтезе большого количества частот, оказывается сложной.
Несмотря на то, что рассмотренный способ синтеза частот известен довольно давно (с 1973 года), в последнее время интерес к нему снова возрос. Это связано с тем, что в литературе [12] , а затем в [із] появились результаты, позволяющие оптимизировать по точности процесс вычисления отсчетов синусоидального сигнала и в роде случаев исключить ошибки округления отсчетов синтезируемого сигнала. Указанное положение» принципиально недостижимое ранее, было достигнуто благодаря использованию для вычисления отсчетов синусоидального сигнала теории дискретных сигналов на конечных ин тервалах и, в частности, аппарата функций Уолша. Рассмотрим подробнее принцип действия таких ЦСЧ, построенных с использованием функций Уолша. Идея построения таких синтезаторов основана на том, что ступенчатый выходной сигнал синтезатора рассматривается на конечном интервале определения, представленном /V точками. Такой сигнал, как известно, можно разложить в ряд по функциям Уолша f14] t тю = №-тю, (1.6) здесь В(Р) - компоненты разложения сигнала по функциям Уолша, дискретная функция Уолша, Р - номер функции Уолша, X - номер выборки. В матричной форме (1.6) имеет вид fl4] : и, -«, здесь Ux t Dp - матрицы - столбцы сигнала и его спектра, Тр f - матрица функций Уолша размера NXH . Подобная операция правомерна в силу того, что функции Уолша образуют полную ортогональную систему. Вообще говоря, разложение (1.6) справедливо при использовании любой известной из теории дискретных сигналов на конечных интервалах базисной системы функций, получивших название функций Виленки-на-Крестенсона. Выбор двузначных функций Уолша в данном случае объясняется удобством их получения при помощи цифровых устройств.
Таким образом» для синтеза сннусовдального сигнала» в соответствии с (1.6), необходимо иметь набор функций Уолша и специальный ЦШ с весами В(Р) и разрядностью И/Ц . Тогда при синтезе небольшого количества частот (в пределах реализуемой разрядности ЦАП) можно учесть все члены разложения (1.6) и вычислить отсчеты синтезируемого сигнала без ошибки. При синтезе большого количества частот учесть все члены разложения (1-6) не удается, так как в данном случае количество ненулевых компонент В(Р) велико и часть из них приходится отбрасывать, то есть округлять значения отсчетов синтезируемого сигнала.
Набор функций Уолша можно получить из сигналов Ш при помощи КП, система логических функций которого приводится в [13]. Вместе с тем, следует отметить, что веса ненулевых коэффициентов В(Р), а следовательно и разрядов ЦАП, как показывают расчеты, коэффициентов В(Р) по формулам, приведенным в [13], быстро убывают при увеличении номеров Р и при больших Р близки к нулю. Поэтому при увеличении /V , то есть при увеличении количества синтезируемых частот, рост ошибок округления отсчетов синтезируемого сигнала в таких ЦСЧ быстро прекращается. Неизменным, как будет показано ниже, становится и набор необходимых функций Уолша. Минимальные значения N , при которых прекращается рост ошибок округления и изменение набора функций Уолша, зависят от разрядности ЦАП синтезатора.
Исследование спектральных характеристик вычислительных ЦСЧ, обусловленных округлением отсчетов синтезируемого сигнала при отбрасывании ненулевых функций Уолша
Округление отсчетов синтезируемого сигнала является одной из причин возникновения спектральных составляющих в спектре ЦСЧ Однако в рассматриваемых ЦСЧ, как было показано в главе I, округление отсчетов имеет место лишь при синтезе большого количества частот. Поэтому спектральные составляющие, обусловленные округлением отсчетов, необходимо учитывать только при синтезе большого количества частот. Попытка оценки максимального уровня этих составляющих при помощи соотношения Парсеваля сделана в fl3J . Однако в ряде случаев необходимо иметь полное представление о спектре ЦСЧ. При этом расчет спектра синтезаторов» построенных с использованием функций Уолша, оказывается гораздо проще, чем отыскание оценок отношения сигнал/шум по формулам, приведенным в [13] , так как существенно сокращается объем необходимых вычислений. Покажем это.
Сйибки округления отсчетов, возникающие в ЦСЧ, строящихся с использованием функций Уолша, в результате отбрасывания функций Уолша с ненулевыми весами, могут быть определены путем вычитания значений отсчетов идеальной синусоиды и округленных значений отсчетов синтезируемой синусоиды, определенных на одинаковых интервалах /V .
Исследование спектральных характеристик устройств синтеза частот является важнейшей задачей, решение которой позволяет судить о качестве синтезаторов и, в ряде случаев, определяет область их использования.
Рассмотренные в предцпущей главе простые микропроцессорные ЦСЧ прямого синтеза частот, построенные с использованием функций Уолша, как было отмечено, обладают целым рядом преимуществ по сравнению с аналогичными ЦСЧ с двоичным представлением отсчетов синтезируемого сигнала Вместе с тем, на практике микропроцессорные ЦСЧ, также как и ЦСЧ с двоичным представлением отсчетов не отличаются высокой спектральной чистотой- В их спектре присутствуют спектральные составляющие, обусловленные различными причинами, однако в литературе достаточно глубоко исследованы спектральные составляющие, обусловленные только одной из этих причин - ступенчатой формой синтезируемого сигнала [Зі].
В связи с этим возникает необходимость анализа особенностей проявления спектральных составляющих в ЦСЧ, основанных на использовании функций Уолша. Кроме того, с практической точки зрения необходимо выяснить влияние неточностей установки весов разрядных коэффициентов ЦАП таких синтезаторов на их спектральные характеристики, а также рассмотреть методы уменьшения спектральных составляющих ЦСЧ, После этого целесообразно произвести сравнение спектральных характеристик рассматриваемых здесь ЦСЧ с соответствующими характеристиками ЦСЧ с двоичным представлением отсчетов. Решению указанных вопросов и посвящена настоящая глава диссертационной работы.
Алгоритм управления коэффициентами деления делителей частоты двухкольцевого СЧ
Простые микропроцессорные (Ш) синтезаторы прямого синтеза частот» рассмотренные в предыдущих разделах работы, могут» как было отмечено» успешно использоваться для синтеза относительно низкочастотных сигналов.
Для синтеза сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот в настоящее время широко используются синтезаторы» строящиеся по методу косвенного синтеза частот на основе систем импульсно-фа-зовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ).
Специфика синтезаторов косвенного синтеза частот состоит в сложности алгоритмов их работы. При этом обеспечение эффективности работы СЧ косвенного синтеза частот с целью удовлетворения заданных требований по быстродействию и чистоте спектра синтезируемых сигналов является одной из основных задач при разработке таких синтезаторов. Однако решение указанной задачи на основе использования только интегральных схем с жесткой логикой не всегда приводит к желаемым результатам. Поэтоцу необходимо рассмотреть возможность использования микропроцессоров для повышения эффективности работы СЧ косвенного синтеза частот.
Прежде всего отметим» что существуют очевидные алгоритмы, реализация которых в синтезаторах косвенного синтеза частот может быть возложена на Ш. Это алгоритмы сервисного управления» предварительной установки частоты» поддержания заданного уровня выходного сигнала в рабочем диапазоне частот СЧ и другие.
В ряде случаев из-за сложности алгоритмов работы СЧ косвенного синтеза частот алгоритм работы МП в них не очевиден. Его нахождение часто требует серьезного теоретического исследования разрабатываемого устройства синтеза частот.
Синтезаторы косвенного синтеза частот строятся на основе одного или нескольких колец ИФАПЧ. При этом даже однокольцевые СЧ косвенного синтеза частот еодертат, как правило, несколько каналов управления.
Анализ литературы» посвященной исследованию и разработке однокольцевых СЧ косвенного синтеза частот показывает, что МП могут широко и эффективно использоваться в таких синтезаторах частот как для решения различных задач сервисного управления синтезаторами, так и рада других. В связи с этим можно было бы привести ряд конкретных примеров использования МП в таких СЧ для управления параметрами кольца ФАПЧ, грубой подстройкой частоты ПГ, переключением диапазонов ПГ в широко диапазонных СЧ и другие. Однако использование однокольцевых структур не позволяет реализовать всех требований к разрабатываемым СЧ.
Для повышения эффективности работы однокольцевых СЧ можно использовать микропроцессорные СЧ прямого синтеза частот. На рис» 3.1 показана структурная схема СЧ с кольцом импульсной-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). В схеме кольцо №АПЧ содержит подстраиваемый генератор (ПГ), делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДЩЦ), ишульсно-фазовый детектор (ИФД) и фильтр низких частот (ФНЧ), а в тракте формирования опорного сигнала включен микропроцессорный синтезатор сигналов прямоугольной формы (ЦСЧ).
Возможность повышения быстродействия СЧ в такой схеме связана с тем, что скорость перестройки в ней не зависит от шага сетки частот и определяется только номиналом тактовой частоты. Поэтому, используя только высокочастотную часть диапазона микропроцессорного ЦСЧ, можно обеспечить работу кольца ИФАПЧ на высоких тактовых частотах. При этом шаг выходной сетки частот может быть произвольным, так как минимальная величина шага сетки частот микропроцессорного ЦСЧ, как было ранее показано в главе I, не ограничена.
Некоторым недостатком схемы является ухудшение спектральных характеристик СЧ при увеличении коэффициента деления ДФНД, то есть при увеличении коэффициента умножения кольца ИФАПЧ.
Таким образом, даже из рассмотренного простого примера видно, что МП уже в настоящее время можно эффективно использовать в однокольцевых СЧ, Вместе с тем, удовлетворять возрастающие требования, предъявляемые к СЧ, с помощью однокольцевых структур с кавдым годом становится все труднее. Поэтому в последнее время наметилась тенденция к использованию в СЧ сложных, много-кольцевых систем ФАПЧ. Задача использования МП в таких СЧ приобретает все большую актуальность. На практике наибольшее распространение получили СЧ на основе двух колец ИФАПЧ, Поэтому» прежде всего, необходимо рассмотреть возможность использования МП в двухкольцевых СЧ.
Одной из главных причин, сдерживающих широкое использование многокольцевых и, в частности, двухкольцевых систем ИФАПЧ в СЧ, является сложность управления делителями частоты в кольцах ИФАПЧ. В этой связи одной из задач Ш в двухкольцевых СЧ может быть задача управления делителями частоты таких синтезаторов. Другие возмож ные задачи МП в двухкольцевых СЧ можно выяснить из анализа конкретных схем СЧ.
Все многообразие существующих схем двухкольцевых СЧ можно разделить на две группы - СЧ с последовательным и с параллельным включением колец ИФАЇЇЧ. Однако для нахождения алгоритма работы МП способ включения колец не имеет принципиального значения. Кроме того, одним из основных требований, предъявляемых к разрабатываемым здесь СЧ, является высокая скорость их перестройки при переключении частот. Поэтому в дальнейшем будет анализироваться двух-кольцевой СЧ с параллельным включением колец, в котором обеспечивается возможность получения высокого быстродействия при заданном шаге сетки частот.
Структурная схема СЧ показана на рис. 3.2 [з] . В этой схеме сигнал ПГ 2, являющийся выходным сигналом СЧ, преобразуется по частоте смесителем СМ2 и подается на ДЩКД2 Выходной сигнал ДЩЗД& сравнивается по фазе с опорным сигналом частоты CU формирующемся в датчике опорных частот (ДОЧ). Напряжение ошибки, вырабатываемое ИФД2, через фильтр ВДЧ2 подается для подстройки на управляющий элемент ЇЇГ2. Частоты, необходимые для работы преобразователя частоты СМ2 кольца ИФАПЧ, формируются вторым кольцом ФАПЧ (ПГІ-СМІ--ДГВДІ41ЗДІ-ФНЧІ), принцип действия которого аналогичен Получение высокого быстродействия в СЧ обеспечивается за счет возможности выбора высоких значений частот сравнения сигналов на входах ИФДІ и ИЗЩ2. Шаг сетки частот при этом может быть произвольным, так как он равен, как показано в [з], разности частот сравнения в кольцах ИФАПЧ синтезатора.
Микропроцессорная система для тестирования и отладки программ МП
Микропроцессорная система для тестирования и отладки программ МП представляет собой устройство, реализованное в модульном исполнении и состоящее из набора функционально законченных блоков (модулей). Такое построение МПС выбрано на основании анализа литературы, посвященной вопросам практического испольэовения МП, и, как отмечено в [53] , обеспечивает при необходимости практически неограниченное расширение ее возможностей. При этом структуру и сложность МПС можно легко изменять путем включения или выключения ее модулей.
МПС ориентирована на использование четырехразрядных МП, однако ее можно использовать и для отладки програші многоразрядных МП, составленных из нескольких четырехразрядных БИС. Конструктивно все модули МПС выполнены в виде отдельных плат, снабженных разъемами, и могут вставляться в монтажную плату, на которой размещены ответные части разъемов и система шин МПС.
Для реализации модулей МПС были использованы микросхемы серий 176, 561, 155, 133 и МП серии 582. При этом МПС построена с некоторой избыточностью элементов, что позволяет при необходимости легко переориентировать ее на работу с Другим типом МП.
Рассмотрим функции отдельных блоков МПС, а также вопросы их технической реализации.
Модуль генератора тактовых импульсов вырабатывает импульсные сигналы, необходимые для работы микропроцессорного и других модулей МПС, а также внешних устройств, подключаемых к МПС. Его принципиальная схема показана на рис. 4.2. Она содержит опорный кварцевый генератор на частоту 11,2 мГ , реализованный при помощи элементов Д2-Д3» ДОа одинаковых делителя частоты на 20 (Д р % и %» Д7) и Формирователь импульсов (Де-Дд). Тактовые импульсы с частотой 560 кГц, образующиеся на выходе формирователя импульсов, постоянно подаются через систему шин МПС на тактовый вход МП модуля.
Вместо модуля генератора тактовых импульсов можно использовать и обычный генератор тактовых импульсов (налример П5-54). Это удобно при пошаговой отладке программ» когда внешний генератор используется в режиме генерации одиночных импульсов» а также в тех случаях» когда по какой-либо причине необходимо изменить номинал тактовой частоты в МПС.
Система шин МПС, как было отмечено, расположена на монтажной плате МПС. Она состоит из двух четырехразрядных информационных шин, по которым осуществляется обмен информацией между МП модулем и другими модулями МПС, двух четырехразрядных адресных шин для передачи адресных сигналов от различных источников МПС к ее модулям ОЗУуп и ОЗУд, а также шестнадцатиразрядной управляющей шины, по которой передаются коды микрокоманд, считываемых из ОЗУуп. Кроме указанных шин МПС содержит несколько вспомогательных шин, необходимых для программирования ОЗУуп и ОЗУд, а также для управления регистрами МП модуля и контроля состояния МП.
Состояние всех шин МПС контролируется индикаторным модулем МПС, вопросы построения которого рассмотрены ниже. Индикаторный модуль необходим для индикации сигналов, подаваемых и снимаемых с МП, а также для контроля сигналов, записываемых и считываемых из оперативной памяти МПС. Этот модуль может подкяючаться к различным точкам монтажной платы и рассчитан на индикацию кодовых комбинаций шириной 16 Бит. При этом индикация информации в модуле осуществляется как в двоичном коде при помощи рядов светодиодов, так и в шестнадцатиричном коде при помощи четырех встроенных семисегментных индикаторов. Необходимость такой индикации информации связана с тем, что при программировании МП в машинных кодах удобно пользоваться информацией непосредственно в двоичном коде, а при вычислениях удобно подавать исходные данные и считывать результаты в шестнадцатиричном коде.
Принципиальная схема индикаторного модуля показана на рис.4,3. Кроме элементов индикации она содержит буферные логические элементы (Д]; Лз2 которые предотвращают перегрузку контролируемых шин. При этом отображение уровней сигналов, образующихся на выходах этих элементов осуществляется» как видно из рис. 4.3» индикаторным модулем непосредственно с помощью светодиодов, а формирование кодов для семисегментных индикаторов - при помощи дешифраторов двоичных кодов в коды управления индикаторами (.%з %6 Перейдем к рассмотрению принципов построения запоминающих устройств МПС, описанию которых посвящен следующий параграф данной главы.
