704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

В настоящее время используются дельта модуляторы третьего порядка. Модуляторы более высокого порядка не используются, так как их схемы являются потенциально неустойчивыми и могут самовозбуждаться. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка приведена на рисунке 2.160.

Рисунок 2.160. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка

Следующим блоком, определяющим высокие характеристики -АЦП, является цифровой фильтр. Именно в сумматорах цифрового фильтра множество одноразрядных цифровых отсчетов входного сигнала превращается в многоразрядные цифры, которые затем поступают на выход аналого-цифрового преобразователя.

Основной задачей цифрового фильтра является уничтожение всех частотных составляющих выше верхней частоты полезного сигнала, поэтому на выходе этого цифрового фильтра можно значительно уменьшить частоту дискретизации (осуществить децимацию цифрового потока данных). Чем меньше будет полоса выходного сигнала по сравнению с полосой первоначально оцифрованного сигнала, тем больше будет выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе схемы. А так как шум квантования определяет разрядность АЦП, то тем больше будет выходная разрядность отсчетов входного сигнала, поэтому для значительного повышения разрядности АЦП для тактирования входных каскадов -АЦП требуется частота, в несколько сотен раз выше частоты его выходного потока данных.

Обычно полоса рабочих частот -АЦП, построенного по схеме, приведенной на рисунке … не превышает нескольких десятков герц, поэтому для более широкополосных сигналов, таких как звуковой сигнал, применяется несколько измененная схема. В ней в качестве преобразователя аналог-цифра используется не одноразрядный АЦП (аналоговый компаратор), а параллельный АЦП. Структурная схема подобного -АЦП приведена на рисунке ….

Еще одной распространенной задачей является преобразование в цифровую форму узкополосных радиосигналов промежуточной частоты. В этом случае необходимо очищать от шумов квантования не область частот около нулевой частоты, а некоторую область частот около промежуточной частоты. В этом случае в качестве интеграторов используются не фильтры низкой частоты (RC-цепочки), а полосовые фильтры (LC-контура).

261

Рисунок 2.161. Структурная схема -АЦП с применением параллельного АЦП

Структурная схема -АЦП промежуточной частоты приведена на рисунке 2.162.

Рисунок 2.162. Структурная схема -АЦП промежуточной частоты

3.1.4. Виды цифро-аналоговых преобразователей

Подобно аналого-цифровым преобразователям, цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) значительно различаются по схемотехническим решениям в зависимости от своего предназначения. Цифроаналоговые преобразователи широкополосных сигналов отличаются от цифроаналоговых преобразователей узкополосных сигналов. Инструментальные ЦАП отличаются от радиочастотных ЦАП. Цифроаналоговые преобразователи применяются как в тракте передачи, так и в радиоприемном устройстве приемопередатчиков систем мобильной радиосвязи. В радиоприемники цифроаналоговые преобразователи могут применяться как для преобразования принятого сигнала в звуковую форму, так и для формирования гетеродинных напряжений. Начнем рассмотрение принципов работы цифроаналоговых преобразователей с самого простейшего ЦАП – цифроаналогового преобразователя с суммированием токов.

Цифроаналоговые преобразователи с суммированием токов.

Простейшим цифроаналоговым преобразователем является одноразрядный преобразователь. В качестве такого ЦАП может служить простой усилительограничитель, в качестве которого можно применить логический инвертор. Схема такого цифро-аналогового преобразователя приведена на рисунке 2.163.

262

Рисунок 2.163. Принципиальная схема одноразрядного цифро-аналогового преобразователя

Одноразрядный преобразователь преобразует в аналоговую форму знак числа. Для высокой частоты дискретизации такого преобразователя вполне достаточно, однако, в большинстве случаев требуется большее количество разрядов. Известно, что двоичное число описывается следующей формулой:

Ap an 2n an 1 2n 1 ... a2 22 a1 21 a0 20 a 1 2 1 a 2 2 2 ... a k 2 k . (2.57)

Для преобразования цифрового двоичного кода в напряжение можно воспользоваться данной формулой непосредственно, т. е. применить аналоговый сумматор.

Схема подобного цифроаналогового преобразователя приведена на рисун-

ке 2.164.

Рисунок 2.164. Принципиальная схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя

На схеме, приведенной на рисунке 2.164, предполагается, что операционный усилитель питается от двухполярного источника питания. При этом если на выходе регистра будет присутствовать логическая единица, то она будет преобразована в ток, соответствующий двоичному разряду при помощи резистора. При этом ток младшего разряда будет в восемь раз меньше тока старшего разряда.

263

Вданной схеме предполагается, что потенциал второго вывода резисторов равен нулю. Это обеспечивается отрицательной обратной связью операционного усилителя. Коэффициент передачи вы

Вэтом случае ток нуля и ток единицы выходного каскада регистра должен совпадать.

Цифроаналоговые преобразователи R-2R

Цифроаналоговый преобразователь с взвешиванием токов прост для понимания принципов работы, однако обладает рядом недостатков. Первый из них это требование к высокой точности изготовления резисторов. Если разброс тока старшего разряда окажется больше значения тока младшего разряда, то ЦАП не будет выполнять свою функцию.

Второй недостаток связан с влиянием паразитных емкостей схемы. При больших разрядностях ЦАП с взвешиванием токов приходится применять высокоомные резисторы. Это приводит к большому времени заряда и разряда паразитной емкости микросхемы, что ограничивает ее быстродействие.

Ну и, наконец, сами резисторы. Высокоомные резисторы занимают огромную площадь на кристалле микросхемы. Все эти недостатки привели к поиску другого схемотехнического решения цифроаналогового преобразователя. Таким решением стало применение матрицы R-2R. Принцип формирования опорных напряжений матрицей R-2R приведен на рисунке 2.165.

Рисунок 2.165. Принцип формирования опорных напряжений матрицей R-2R

В матрице резисторов R-2R формируется ряд напряжений, отличающихся друг от друга ровно в два раза. Рассмотрим этот механизм. В конце резистивной цепочки находятся два резистора с сопротивлением 2R. Эти резисторы одним концом соединены друг с другом, другие концы присоединены к корпусу схемы, то есть резисторы соединены параллельно. В результате их общее сопротивление равно R. При соединении резистора R и параллельного соединения двух резисторов 2R образуется делитель напряжения с коэффициентом деления 2. В результате напряжение на его выходе будет в два раза меньше напряжения на его входе.

Общее сопротивление делителя составляет 2R, так как сопротивления R в нем соединены последовательно. В результате в следующем звене матрицы ситуация повторяется. Снова образуется параллельное соединение двух резисторов 2R и снова образуется делитель напряжения в два раза. Так как напряжения в узлах матрицы R-2R отличаются друг от друга ровно в два раза, то и ток через резисторы 2R будет отличаться ровно в два раза, то есть подчиняться двоично-

264

му закону. Если теперь эти токи подавать или не подавать на вход сумматора токов в зависимости от входного двоичного числа, то мы получим цифроаналоговый преобразователь.

Схема подобного цифроаналогового преобразователя с применением матрицы R-2R приведена на рисунке 2.166.

Рисунок 2.166. Принципиальная схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя R-2R

3.2. Прямой цифровой синтез (DDS)

Упрощенная структурная схема устройства прямого цифрового синтеза (DDS), приведена на рисунке 3.1.

Тактовый генератор

Рисунок 3.1. Структурная схема устройства прямого цифрового синтеза

При распространении сигнала по электрическим цепям очень важно, чтобы он не подвергался искажениям. При распространении сигнала по цифровым схемам такому требованию удовлетворяет сигнал прямоугольной формы, одна-

265

ко если подобный сигнал подать на вход аналогового фильтра (а фильтрующими свойствами обладают все аналоговые схемы), то на его выходе прямоугольный сигнал будет искажен. При распространении сигнала по аналоговым схемам, форма не изменяется только у синусоидальных сигналов. На выходе аналогового устройства будет изменена только амплитуда и фаза этого сигнала. Именно поэтому, несмотря на неоднократные попытки использовать для радиосвязи сигналы с другой формой, в радиоприемниках и передатчиках до сих пор применяются именно синусоидальные сигналы.

Устройства, позволяющие непосредственно в цифровом виде формировать отсчеты синусоидального сигнала с программируемой частотой, получили название генераторов с цифровым управлением (NCO). Рассмотрим работу этих устройств подробнее.

3.2.1. Генераторы с цифровым управлением (NCO)

Для формирования синусоидального радиосигнала в цифровом виде можно воспользоваться ПЗУ с записанными в него значениями функции синуса. При считывании из него этих значений через равномерные промежутки времени, на выходе цифро-аналогового преобразователя можно наблюдать синусоидальный сигнал. Пример подобной формы сигнала приведен на рисунке 3.2. На этом рисунке кружочками обозначены значения напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя. По оси абсцисс отложен номер отсчета цифрового сигнала. Цифровое значение отсчета сигнала считывается из ячейки ПЗУ. Фильтр низкой частоты позволяет сгладить дискретность сигнала на выходе цифро-аналогового преобразователя.

На рисунке 3.2 этот сигнал показан сплошной линией, соединяющей дискретные отсчеты сигнала.

Рисунок 3.2. Временная диаграмма сигнала на выходе фазового аккумулятора

266

Как видно из приведенного рисунка, значение сигнала на выходе цифрового генератора в каждый момент времени определяется номером отсчета сигнала. Частоту полученного синусоидального сигнала можно изменять несколькими способами.

Первый и наиболее очевидный способ заключается в изменении тактовой частоты устройства прямого цифрового синтеза. Однако такой способ изменения частоты выходного сигнала неудобен, так как приводит к необходимости применять в качестве тактового генератора синтезатор частот.

Известно, что стабильность частоты колебания, вырабатываемого синтезатором, зависит от диапазона его перестройки. Это означает, что не существует синтезаторов с большим диапазоном перестройки частоты выходного колебания, которые обладают хорошими спектральными характеристиками.

Еще одним очень существенным недостатком приведенного способа настройки частоты цифрового генератора является то, что синтезатор частот не может мгновенно изменить свою частоту. Некоторое время после изменения частоты настройки синтезатора его частота будет колебаться около нового значения.

Второй способ перестройки частоты заключается в том, что при поступлении очередного тактового импульса можно считывать значения синусоидального сигнала из постоянного запоминающего устройства не из соседних ячеек, а пропуская одно или несколько значений отсчетов синусоидального сигнала.

Если мы будем считывать значения синусоидального сигнала через одну ячейку памяти, то полностью период синусоидального сигнала на выходе ана- лого-цифрового преобразователя будет получен за время в два раза меньшее относительно первоначально рассмотренного случая. В результате частота формируемого синусоидального сигнала увеличится вдвое.

Если мы будем выдавать на выход цифрового генератора содержимое каждой третьей ячейки ПЗУ синусоидального сигнала, то для завершения одного периода этого сигнала нам потребуется втрое меньшее количество тактов. А это означает, что период такого сигнала будет в три раза короче периода сигнала, полученного при считывании всех ячеек ПЗУ.

Итак, получается, что мы можем регулировать частоту выходного синусоидального сигнала, просто изменяя коэффициент счета входных импульсов. При этом номер отсчета синусоидального сигнала можно считать его фазой, а так как в процессе работы схемы номер отсчета постоянно увеличивается, то устройство, осуществляющее это действие, можно назвать аккумулятором (накопителем) фазы.

Фазовый аккумулятор обычно выполняется на арифметическом двоичном сумматоре и регистре, запоминающем результат суммирования. На один из входов сумматора подадим содержимое накапливающего регистра, а на другой вход будем подавать шаг изменения фазы. Структурная схема фазового аккумулятора приведена на рисунке 3.3.

267

Эта разность соответствует точности одиннадцатиразрядного числа. Одиннадцатиразрядное число обеспечивает точность представления 0,98×10–3. Это означает, что для хранения значений синусов в постоянном запоминающем устройстве с 4096 ячейками памяти достаточно одиннадцатидвенадцатиразрядной точности. Для хранения значений синуса в ПЗУ с 65536 ячейками памяти потребуются уже пятнадцатиразрядные ячейки.

При использовании для хранения синуса постоянного запоминающего устройства с шестнадцатиразрядными ячейками можно реализовать динамический диапазон устройства прямого цифрового синтеза до 96 дБ (приблизительно по 6 дБ на каждый разряд). Это значительно превышает динамический диапазон аналоговых устройств. Динамический диапазон устройства в целом будет ограничиваться аналоговыми цепями, поэтому увеличивать разрядность ячеек ПЗУ синуса выше шестнадцати разрядов не имеет смысла.

В качестве иллюстрации возможностей рассмотренной схемы, на рисунке 3.4 приведен спектр сигнала, сформированного цифровым синусоидальным генератором.

Точно также не имеет смысла увеличивать количество ячеек в этом ПЗУ. Кто сомневается, может провести расчеты по приведенной выше методике. Какой смысл хранить в соседних ячейках одинаковые значения?! Так что же, мы не можем получить шаг перестройки синусоидального генератора, реализованного на фазовом аккумуляторе, меньший рассчитанного выше значения? Да нет же, можем.

Рисунок 3.4. Структурная схема фазового аккумулятора с уменьшенным шагом настройки частоты

Теперь определим требования к разрядности накапливающего регистра и сумматора. На первый взгляд разрядность этих устройств должна совпадать с разрядностью шины адреса постоянного запоминающего устройства, то есть не превышать шестнадцати разрядов. Однако это не так.

269

Для этого достаточно увеличить разрядность сумматора и накапливающего регистра, входящий в состав фазового аккумулятора а на адресные входы постоянного запоминающего устройства подавать старшие разряды результата суммирования, как это показано на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Структурная схема фазового аккумулятора

суменьшенным шагом настройки частоты

Врезультате применения сумматора с разрядностью, большей разрядности адресной шины постоянного запоминающего устройства, в накапливающем регистре фаза может изменяться с любым сколь угодно малым шагом. При этом код напряжения на выходе ПЗУ будет изменяться только тогда, когда изменение значения синуса превысит шаг квантования цифро-аналогового преобразователя.

При использовании шага изменения фазы, меньшего разрядности адресной шины ПЗУ, возможно дробное соотношение периода синуса и периода накоп-

ления фазы, равной 360 (переполнения фазового аккумулятора). В этом случае возможно формирование синусоидального сигнала с периодом, отличающимся в соседних интервалах времени. Однако средняя частота генерируемого синусоидального сигнала будет точно равна заданному значению.

3.2.2. Микросхемы прямого цифрового синтеза

Итак, мы научились управлять фазой и частотой синусоидального сигнала. Это означает, что мы можем осуществить частотную и фазовую модуляцию сигнала. Однако в ряде случаев требуется уметь управлять амплитудой синусоидального сигнала. Например, такое действие требуется при формировании радиосигнала с амплитудной модуляцией.

Рассмотрим формулу, описывающую синусоидальный сигнал: s(t) A(t) sin(ф(t) t (t))

270