Размещено на http://allbest.ru

Національний університет "Львівська політехніка"

УДК 621.373.54; 374.4

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Цифрові синтезатори частоти на основі число-імпульсних перетворювачів кодів

05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти

Стахів Роман Іванович

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Максимович Володимир Миколайович, професор кафедри "Захист інформації" Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Дунець Роман Богданович, завідувач кафедри спеціалізованих комп'ютерних систем Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

кандидат технічних наук, доцент Паламар Михайло Іванович, завідувач кафедри приладів і контрольно-вимірювальних систем Тернопільського національного технічного університету імені І.Пулюя, м. Тернопіль.

Захист відбудеться “ 30 ” квітня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка", Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 26 ” березня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор Я. Т. Луцик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При розробці сучасних систем радіо- та провідного зв'язку, трансляції, радіолокації та навігації, в робототехніці та моделюванні є актуальними питання формування сигналів з швидкими перемиканнями (до часток наносекунд) у широкому діапазоні робочих частот. Окрім цього, в багатьох випадках потрібно забезпечити нерозривність фази при зміні частоти сформованих сигналів, а також високу роздільну здатність, стабільність, точність установлення, крок зміни частоти, стійкість до зовнішніх факторів, тощо. Ці вимоги значним чином визначають якісні показники системи в цілому.

Для забезпечення перелічених вимог доцільно застосувати цифрові синтезатори частоти (ЦСЧ). По-перше, в них практично відсутні перехідні процеси, що визначає їх високу швидкодію. По-друге, архітектура ЦСЧ дозволяє з найменшими затратами виготовляти їх в інтегральному виконанні, в тому числі у вигляді макросів для програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС). По-третє, це найдешевші та технологічно прості синтезатори.

Дворівневі ЦСЧ (ДЦСЧ), як окремий тип ЦСЧ є складовою частиною багаторівневих синтезаторів частоти, застосовуються у пристроях вимірювання частотно-часових параметрів сигналів, керованих лініях затримки, для імітації вихідних сигналів частотних та імпульсних сенсорів (у тому числі дозиметричних детекторів), у системах керування діаграмою спрямованості антенних решіток.

ДЦСЧ можна віднести до число-імпульсних перетворювачів кодів (ЧІПК) і використати, для покращення метрологічних характеристик синтезаторів, нові досягнення, що стосуються розвитку теорії аналізу і синтезу ЧІПК. Такий підхід дозволяє значною мірою усунути недоліки ДЦСЧ, основними з яких є:

· недосконалість структур ДЦСЧ стосовно керованості кроку зміни частоти;

· практична відсутність структур ДЦСЧ, в яких забезпечується коефіцієнт перетворення більший за одиницю з можливістю керування кроком зміни частоти;

· обмежені можливості конвеєрних ДЦСЧ;

· обмежені можливості ДЦСЧ із зменшенням нерівномірності вихідних імпульсних сигналів.

У зв'язку із вищесказаним, розроблення нових структур дворівневих цифрових синтезаторів частоти та дослідження їх характеристик, яким присвячена дисертаційна робота, є актуальною задачею, розв'язання якої має важливе значення як для науки, так і для виробництва, оскільки сприяє вдосконаленню відомих і появі нових ефективних засобів, систем і технологій зв'язку, автоматизації, вимірювань, збору і обробки інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

Основний зміст дисертаційної роботи складають результати теоретичних і практичних розробок, проведених автором під час виконання держбюджетних науково - дослідних робіт за планом Міністерства освіти і науки України: “Методи аналізу, синтезу, математичного та фізичного моделювання перетворювачів інформації для вимірювальних приладів і систем” (2000-2001 р. № держ. реєстр. 0100U000482); “Проблемно-орієнтовані перетворювачі інформації” (2002-2003 р. № держ. реєстр. 0102U001206).

Мета і задачі дослідженнь. Метою роботи є розроблення нових методів та засобів побудови ДЦСЧ з покращеними характеристиками.

Відповідно до поставленої мети завданнями дослідження є:

1. Аналіз принципів побудови існуючих ДЦСЧ, порівняльний аналіз їх характеристик.

2. Розроблення на основі нових підходів побудови ДЦСЧ, пристроїв з покращеними характеристиками, зокрема синтезаторів, в яких забезпечується керованість кроком зміни частоти.

3. Розроблення синтезаторів частоти з розширеним діапазоном значень коефіцієнта перетворення.

4. Аналіз похибок перетворення розроблених синтезаторів частоти.

5. Поєднання принципів побудови конвеєрних ДЦСЧ із структурами, що забезпечують керованість кроком зміни частоти.

6. Поєднання способів зменшення нерівномірності вихідних імпульсів синтезаторів з структурами, що забезпечують керованість кроком зміни частоти.

7. Проектування розроблених ДЦСЧ на ПЛІС.

8. Аналіз основних характеристик розроблених ДЦСЧ.

Об'єкт дослідження - процес синтезу імпульсних послідовностей з керованою частотою.

Предмет дослідження - структури ДЦСЧ, методи та засоби їх побудови.

Методи дослідженнь - теоретичні дослідження базуються на використанні основних положень теорії аналізу та синтезу цифрових автоматів, теорії похибок та теоретичних основ інформаційно-вимірювальної техніки. Результати теоретичних досліджень перевірялись за допомогою імітаційного моделювання та за допомогою системи автоматизованого проектування ПЛІС.

Наукова новизна одержаних результатів:

· вперше запропоновано новий підхід до побудови дворівневого цифрового синтезатора частоти, в якому за рахунок конвеєрного способу побудови нагромаджувального суматора і використання додаткового кола керування забезпечується керованість кроком зміни частоти і підвищення швидкодії у порівнянні з аналогічними пристроями;

· удосконалено спосіб побудови дворівневого цифрового синтезатора частоти з фазовим акумулятором, керованим двома кодами, в якому за рахунок введення керованої лінії затримки досягнуто зменшення нерівномірності вихідної імпульсної послідовності при забезпеченні керованості кроком зміни частоти;

· удосконалено способи побудови структур ДЦСЧ введенням мультиплексора керуючих кодів і конвеєрного нагромаджувального суматора, що забезпечує розширення діапазону значень коефіцієнта перетворення і підвищення швидкодії.

· отримано нові аналітичні залежності для визначення екстремальних значень абсолютних похибок перетворення розроблених структур дворівневих цифрових синтезаторів частоти при будь-якій скінченній кількості їх двійкових розрядів, що дозволило оптимізувати початкові стани структурних елементів для забезпечення найбільшої точності перетворення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено та реалізовано на ПЛІС базові вузли ДЦСЧ, зокрема, конвеєрний нагромаджувальний суматор, які дозволяють створювати структури синтезаторів з покращеними характеристиками;

- розроблено електричні принципові схеми ДЦСЧ, які виконані на базі двох комбінаційних суматорів;

- розроблено електричні принципові схеми вдосконалених ДЦСЧ з мультиплексуванням керуючих кодів;

- розроблено електричні принципові схеми ДЦСЧ на конвеєрному нагромаджувальному суматорі;

- розроблено імітаційні моделі ДЦСЧ, які дозволяють визначати і оптимізувати їх характеристики;

- на основі теоретичних досліджень створені апаратні засоби імітації вихідних сигналів дозиметричних детекторів, які використовуються при проектуванні і налагоджені дозиметричних пристроїв.

Розроблені моделі ДЦСЧ використовувались при проектуванні і налагодженні дозиметричних пристроїв, зокрема, каналів цифрової обробки у дозиметрі-сигналізаторі пошуковому ДКС-02ПН "КАДМІЙ" та інтелектуальному блоці детектування гамма-випромінення БДБГ-09 у ПП "НВПП "Спаринг-Віст Центр" (м. Львів).

Особистий внесок здобувача:

Основні положення та результати отримані автором особисто на основі досліджень, проведених на кафедрах “Автоматика та телемеханіка” та “Комп'ютеризовані системи автоматики” Національного університету “Львівська політехніка”. У працях [1, 3-8], що опубліковані у співавторстві, дисертанту належать - математичні моделі ДЦСЧ: на нагромаджувачі на двох комбінаційних суматорах [1], на нагромаджувачі з мультиплексуваням керуючих кодів [4], на основі конвеєрного нагромаджувального суматора [5]; алгоритми обчислення абсолютних похибок перетворення запропонованих синтезаторів частоти та аналіз отриманих результатів [3, 7, 8]; структура ДЦСЧ, в якій усунена нерівномірність вихідної імпульсної послідовності, імітаційне моделювання його роботи та аналіз отриманих результатів [6]; структура ДЦСЧ на основі конвеєрного нагромаджувального суматора [5]; реалізація розроблених синтезаторів частоти на ПЛІС за допомогою САПР фірми Xilinx [1, 4, 5, 6, 8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідались і обговорювались на 2 міжнародних науково-технічних конференціях.

Публікації результатів досліджень. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць, серед яких 6 статей у фахових виданнях та 2 доповіді на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 103 найменувань і додатків, викладена на 168 сторінках друкованого тексту, містить 130 сторінок основного тексту, 56 рисунків, 12 таблиць

синтезатор фаза частота антенний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі досліджень. Показано зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації.

У першому розділі подано класифікацію структур синтезаторів частоти (СЧ), які на сьогоднішній день будуються за принципом розділення задач і складаються з декількох елементарних блоків. Сучасні СЧ можна розділити на два великі класи: системи активного синтезу частот і системи пасивного синтезу частоти. В активних СЧ коливання на виході присутнє незалежно від наявності опорного коливання на вході. До цієї групи можна віднести компенсаційні СЧ (кільця компенсації) і СЧ на основі кілець фазового автоналаштування частоти (ФАПЧ): аналогові ФАПЧ, імпульсні ФАПЧ, цифрові ФАПЧ. В пасивних СЧ коливання на виході пропадає при зникненні опорного коливання. Пасивні СЧ можна розділити на дві великі групи: системи пасивного аналогового синтезу частоти і системи пасивного цифрового синтезу частоти, які в свою чергу діляться на менші підгрупи.

В останні роки жорсткішими стали вимоги до керування частотою з високою швидкістю, що є достатньо важливим у сучасних системах зв'язку і радіолокації. У діапазоні до сотень мегагерц протиріччя між вимогами малого кроку сітки і надшвидкого переналаштування частоти успішно вирішується за допомогою пасивних ЦСЧ. Такі притаманні їм переваги, як нерозривність фази при зміні частоти і висока фазова стабільність, дозволяють використовувати їх також для формування сигналів передачі дискретної інформації, складних сигналів і т.д. Основою пасивного ЦСЧ є цифровий скінченний автомат, на базі якого будуються як багаторівневі, так і дворівневі СЧ.

У дворівневому пасивному цифровому СЧ є достатньо високий рівень функціональної фазо-імпульсної модуляції (ФФІМ) вихідного коливання, який викликаний дробовою кратністю значень опорної і вихідної частоти. Для зменшення ФФІМ існує два шляхи:

· використання цифрового скінченного автомата у вигляді дільника з дробово - змінним коефіцієнтом ділення або нагромаджувального суматора; як відомо, такі автомати є оптимальними для досягнення найменшого значення ФФІМ;

· використання модифікованого скінченного автомата - цифрового автомата, доповненого пристроєм квантування за фазою - керованим пристроєм затримки (КПЗ) у часі. Застосування цього пристрою дозволяє в значній мірі компенсувати ФФІМ; залишковий рівень ФФІМ визначається якістю перетворення цифрового коду затримки в часовий інтервал у пристрої затримки.

Пасивні ЦСЧ мають ряд переваг порівнянно з іншим системами синтезу частоти:

· частотна роздільна здатність цифрових синтезаторів складає соті і навіть тисячні частки герца при вихідній частоті порядку десятків мегагерц;

· висока швидкість переходу з однієї частоти на іншу, яка обмежується практично тільки швидкодією цифрового керуючого інтерфейсу. Усі переналаштування за частотою в синтезаторі проходять без розриву фази вихідного сигналу;

· сигнал генерується з властивою цифровим системам точністю;

· в них практично відсутні перехідні процеси, що забезпечує їхню високу швидкодію;

· архітектура пасивних ЦСЧ дозволяє простіше реалізувати їх в інтегральному виконанні, ніж синтезатори з системою автоналаштування частоти;

· низька вартість та технологічність;

· практично відсутній температурний дрейф і старіння.

Відповідно з поданою класифікацією ДЦСЧ, що можуть використовуватись самостійно або бути основою для багаторівневих ЦСЧ, стосовно їх внутрішньої побудови, різняться за такими ознаками: керовані одним або двома кодами; з коефіцієнтом перетворення меншим або більшим за одиницю; з додатковими блоками для зменшення нерівномірності вихідної імпульсної послідовності або без них; за способом підвищення швидкодії.

У результаті проведеного аналізу визначено, що одним із напрямків покращення характеристик ДЦСЧ є удосконалення способів їх побудови, які б забезпечували керування кроком зміни вихідної частоти, що дозволило б істотно розширити їхні функціональні можливості.

Підвищення швидкодії ДЦСЧ у поєднанні з забезпеченням керованості кроком зміни частоти, що рівноцінно розширенню діапазону їх вихідних частот (в напрямку збільшення максимальної вихідної синтезованої частоти), може досягатись завдяки застосуванню конвеєрного способу побудови нагромаджувальних суматорів.

Існує також можливість удосконалення структур ДЦСЧ з метою зменшення нерівномірності вихідних імпульсних послідовностей і удосконаленні методів оцінки їх метрологічних характеристик, зокрема похибок перетворення число-імпульсних кодів.

У другому розділі обґрунтована можливість використання нових базових елементів число-імпульсних перетворювачів для побудови ДЦСЧ з метою забезпечення можливості керування кроком зміни частоти і розширення діапазону коефіцієнта перетворення, проведений аналіз їх похибок перетворення.

Наведені структури, що виконують функцію фазового акумулятора (ФА), відрізняються від класичних інтеграторів з паралельним переносом (нагромаджувальних суматорів) наявністю в їх складі додаткових структурних елементів - комбінаційного суматора чи мультиплексора і додаткових зворотних зв'язків.

Середня вихідна частота ДЦСЧ на двох комбінаційних суматорах визначається виразом

,

де Y1 і Y2 - керуючі коди, , m - кількість двійкових розрядів структурних елементів пристрою, - вхідна частота.

Коефіцієнт перетворення ДЦСЧ знаходиться в межах .

Основна перевага даного пристрою, при використанні його в якості дворівневого синтезатора частоти, полягає в тому, що він забезпечує можливість зміни кроку сітки вихідних частот. Це може бути проілюстровано даними табл. 1, на прикладі 30 - розрядного синтезатора частоти при .

Таблиця 1.

Номінальні значення вихідних частот синтезатора

Y1	Вихідна частота, МГц Y2=0	Y1	Вихідна частота, МГц Y2=73741824
0	0.000000000000	0	0.000000000000
1	0.000000009313	1	0.000000010000
2	0.000000018626	2	0.000000020000
3	0.000000027940	3	0.000000030000
4	0.000000037253	4	0.000000040000
…	…	…	…
1073741822	9.999999981374	999999998	9.999999980000
1073741823	9.999999990687	999999999	9.999999990000

На рис. 1 наведена схема комбінованого пристрою, що ґрунтується на вищерозглянутому принципі побудови ДЦСЧ, яка може бути основою для створення як дворівневих, так і багаторівневих синтезаторів.

Структурна схема містить регістри Рг1, Рг2, які призначені для перетворення послідовного коду в m-розрядний паралельний двійковий код; інформаційні регістри Рг3, Рг4, Рг5 ємністю m біт; комбінаційні m - розрядні суматори КС1, КС2; комутатори К1, К2 та елементи керуючої логіки.

Цифровий синтезатор частоти, виконаний за такою структурою, забезпечує два режими роботи.

Рис. 1. Структурна схема ДЦСЧ, виконана за комбінованою схемою

Перший режим забезпечується при наявності на вході СК логічної 1. Два n-розрядні числа надходять на входи Вхід1 та Вхід2, і при наявності тактових імпульсів С1 та С2 записуються у регістри Рг1, Рг2, де перетворюються з послідовного коду в паралельний. Сигнал СК (лог.1) відкриває комутатор К1 і на його вихід проходить m-розрядний код, який подається на вхід Рг4.

При наявності імпульсу на входах Зп1 та Зп2 відбувається запис кодових комбінацій у регістри Рг3, Рг4 відповідно. Якщо на виході переносу КС1 відсутній сигнал, то К2 закритий і Рг5, КС1 і Рг4 функціонують в режимі класичного нагромаджувального суматора, тобто в Рг5 нагромаджується число, яке міститься в Рг4. При появі на виході КС1 сигналу переносу, К2 відкривається і через КС2 в Рг5 нагромаджується число, яке знаходиться в Рг3. Причому додавання числа з Рг3 відбувається в момент проходження імпульсів на вихід логічного елементу І, тобто на вихід пристрою. Таким чином, функціонування пристрою відповідає роботі ДЦСЧ на двох комбінаційних суматорах і визначається виразом - . Синтезована імпульсна послідовність знімається з шини Вихід 2.

У другому режимі роботи керуючий сигнал СК відповідає логічному 0, комутатор К1 пропускає на свої виходи лише старші k розрядів (k < m), що надходять на його входи. Якщо у Рг4 записане число рівне нулю, то КС1, КС2 та Рг5 працюють як нагромаджувальний суматор (фазовий акумулятор (ФА)), а при запису числа у Рг4, відмінного від нуля, відбувається зміна фази вихідного сигналу. Вихідний код, синтезований таким чином, знімається з шини Вихід 1, але при цьому може використовуватись лише певна кількість старших розрядів, бо при обробці m-розрядного числа отримуємо відтворення синтезованої частоти з надлишковою точністю. Отже, в даному режимі, пристрій працює як класичний фазовий акумулятор і може бути використаний при створенні синтезаторів частоти, що працюють за методом прямого цифрового синтезу.

При використанні комбінованого пристрою, як елемента багаторівневих синтезаторів частот, можливе застосування синусно-косинусних число-імпульсних перетворювачів замість ПЗП з метою спрощення пристроїв.

Поточна абсолютна похибка ДЦСЧ на двох комбінаційних суматорах визначається виразом:

,(1)

де - кількість вихідних імпульсів, x - кількість вхідних імпульсів, R - число в регістрі нагромаджуючого суматора перед початком роботи.

В роботі доведено, що екстремальні значення визначаються рівняннями:

,(2)

,(3)

де і - максимальне і мінімальне значення - поточного значення числа в регістрі нагромаджувального суматора.

При :

,(4)

.(5)

Отже, при похибка пристрою лежить в межах:

.(6)

В роботі запропоновано також ДЦСЧ на основі нагромаджувача з мультиплексуванням керуючих кодів, який так само забезпечує керованість кроком зміни вихідної частоти відповідно до виразу . При цьому діапазон зміни коефіцієнта перетворення знаходиться в межах . Реалізація значень коефіцієнта перетворення більших одиниці досягається за рахунок того, що в колі додатного зворотного зв'язку може бути ціла серія імпульсів, які розміщаються між імпульсами, що надходять на вхід пристрою. Показано, що при похибка пристрою лежить в межах .

В розділі також наведені результати імітаційного моделювання запропонованих пристроїв за допомогою системи автоматизованого проектування програмованих логічних інтегральних схем, що підтверджують результати теоретичних досліджень.

Третій розділ присвячений розробленню і дослідженню ДЦСЧ з використанням конвеєрних методів побудови їх структурних елементів і із зменшенням нерівномірності вихідної імпульсної послідовності.

Робота конвеєрного ДЦСЧ ґрунтується на запропонованій структурній схемі (рис. 2), до складу якої входять мультиплексор Мп, комбінаційні суматори КС1, КС2, регістр Рг і логічний елемент І. Середня частота вихідних імпульсів визначається виразом .

Рис. 2 Структурна схема ДЦСЧ

В синтезаторі, для збільшення швидкодії, використаний конвеєрний спосіб побудови нагромаджувального суматора на КС1 і Рг, що дозволяє істотно розширити діапазон вихідних частот при збереженні керованості кроком зміни частоти.

До складу конвеєрного нагромаджувального суматора (рис. 3) входять 2-розрядні комбінаційні суматори КС11 - КС44 і 2-розрядні регістри Рг11 - Рг44.

Рис. 3 Конвеєрний нагромаджувальний суматор при

На входи X₀ - X₇ подаються сигнали з виходів розрядів мультиплексора Мп (рис. 2), вихід переносу під'єднується до адресного входу Мп.

Виходи S₀ - S₇ можуть бути використані при побудові багаторівневих синтезаторів частоти як вхідні сигнали для постійного запам'ятовуючого пристрою.

Вхідні імпульси ДЦСЧ одночасно надходять на тактові входи усіх регістрів Рг11 - Рг44, отже, швидкодія нагромаджувального суматора і, відповідно, швидкодія ДЦСЧ в цілому визначається затримкою формування вихідних сигналів одного 2-розрядного комбінаційного суматора, яка, в свою чергу, може бути зведена до затримки кількох логічних елементів.

Поточна абсолютна похибка синтезатора визначається виразом:

,(7)

де: і x - кількість вхідних і вихідних імпульсів; С і D - керуючі коди; - початкові значення кодів в ланках регістрів конвеєрного суматора; - кількість тактів вхідних імпульсів, що відповідають стартовому інтервалу.

В процесі дослідження імітаційної моделі створеного ДЦСЧ виявлено, що нормальна робота пристрою, при якій його абсолютна похибка перетворення (7) незначно перевищує одиницю, забезпечується після проходження певної кількості вхідних імпульсів . Відповідний стартовий інтервал часу можна інтерпретувати як час налаштування синтезатора.

На рис. 4 і 5 наведені графіки залежностей екстремальних значень похибки (7) - і від значення , тобто без урахування перших тактів роботи пристрою, отримані на множинах і керуючих кодів, при , для довільних x.



Рис. 4 Графік залежності

Рис. 5 Графік залежності

Подібні результати отримані для конвеєрних ДЦСЧ при . Отже, збільшення швидкодії синтезаторів частоти забезпечується при задовільній похибці перетворення і при визначеному невеликому часі налаштування.

В розглянутих ДЦСЧ спектральна чистота сигналу є низькою за рахунок нерівномірного розташування імпульсів на виході пристроїв. В роботі запропоновано метод фазової інтерполяції, який застосовується для зменшення нерівномірності вихідних імпульсів синтезатора, адаптований для структур, що забезпечують керованість кроком зміни частоти.

Структурна схема ДЦСЧ з фазовою інтерполяцією, представлена на рис. 6.

Рис. 6 Структурна схема ДЦСЧ струмів і конденсаторах.

Обчислення значення часу затримки вихідного імпульсу синтезатора відбувається за значенням коду числа U, що міститься в регістрі ФА, в момент присутності сигналу на виході ФА за формулою

, (8)

де U - поточне значення числа в регістрі ФА, T - період імпульсів, що надходять на вхід пристрою. ФА побудований за схемою ДЦСЧ на двох комбінаційних суматорах, що керується кодами Y1 і Y2.

На рис. 7 наведена функціональна схема генератора затримки (ГЗ), симетрична структура якого дає можливість створювати достатньо точні часові затримки, що мало залежать від впливу зовнішніх факторів на обидві групи інтеграторів, побудованих на комутованих групах генераторів з фазовою інтерполяцією

Рис. 7 Функціональна схема ГЗ

Схема керування (рис. 6) формує на своєму виході сигнали, що забезпечують роботу ГЗ, зокрема, містить у своєму складі схему віднімання для формування чисельника виразу (8). Форма вихідних імпульсів ДЦСЧ визначається вихідним каскадом - одновібратором чи тригером.

В роботі визначені граничні можливості зменшення нерівномірності вихідних імпульсів синтезатора з допомогою ГЗ, які залежать від різних факторів: неідеальності елементів його схеми, зв'язків між ними, паразитних ємностей.

Серед цих факторів основним є неоднаковість значень і , що спричинено технологічними можливостями виготовлення мікросхем і впливом зовнішніх факторів.

Враховуючи це необхідно визначити, при якому співвідношенні роботу ДЦСЧ можна вважати задовільною. Запропоновано як критерій задовільної роботи синтезатора прийняти максимальну допустиму різницю між екстремальними значеннями часових інтервалів між вихідними імпульсами пристрою в одиницях періоду тактової частоти.

Проведені, з допомогою імітаційної Рис. 7 Функціональна схема ГЗ моделі, дослідження показали, що незалежно від кількості розрядів ФА - m і значень керуючих кодів Y1 і Y2 існує однозначна залежність

,

де , а і - екстремальні значення часових інтервалів між вихідними імпульсами ГЗ. Винятком є тільки випадки, коли відношення є цілим числом, оскільки при цьому імпульсна послідовність на виході ФА рівномірна.

Подальший аналіз дозволив визначити числові характеристики ДЦСЧ з урахуванням граничних можливостей ГЗ.

Так, наприклад, якщо неоднаковість значень ємностей конденсаторів і (спричинена технологічними можливостями виготовлення мікросхем і впливом зовнішніх факторів) є на рівні , то умова виконується при тактовій частоті ЦСЧ, що не перевищує .

Четвертий розділ дисертації присвячений реалізації запропонованих основних вузлів ДЦСЧ на ПЛІС та визначенню їх основних характеристик.

Імітаційне моделювання було виконане за допомогою системи автоматизованого проектування ПЛІС фірми Xilinx на основі стандартних логічних елементів Spartan II.

За допомогою часового аналізатора був виконаний аналіз часових і частотних характеристик ДЦСЧ, побудованих на основі нагромаджувачів з двома комбінаційними суматорами, мультиплексуванням керуючих кодів та на конвеєрному нагромаджувальному суматорі. Для порівняння були також проаналізовані характеристики синтезатора побудованого за класичною схемою - на нагромаджувачі, що складається з одного комбінаційного суматора.

Результати оцінки частотно-часових характеристик ДЦСЧ наведені в табл.2.

Таблиця 2.

Основні технічні характеристики ДЦСЧ

Кількість розрядів СЧ	16 розрядів	24 розряди	30 розрядів
1	2	3	4
ДЦСЧ на одному комбінаційному суматорі
Мін. період тактових імпульсів Твх.мін.	8 нс	13 нс	13,2 нс
Макс. частота тактових імпульсів fвхмакс.	125МГц	76,923 МГц	75,757 МГц
Діапазон вихідних частот fвих. мін.…fвихмакс.	1907,349 Гц … 124998092 Гц	4,585Гц … 76922995 Гц	0,07 Гц … 75756999,929 Гц
Крок зміни частоти	1907,349 Гц	4,585 Гц	0,07 Гц
ДЦСЧ на двох комбінаційних суматорах
Мінімальний період тактових імпульсів Твх.мін.	5 нс	9 нс	9 нс
Макс. частота тактових імпульсів fвхмакс.	200,0 МГц	111,111 МГц	111,111 МГц
Діапазон вихідних частот fвих. мін.…fвихмакс.	3051,758 Гц … 199996948,242 Гц	6,623 Гц … 111110993,377 Гц	0,103 Гц … 111110999,896 Гц
Мін. крок зміни частоти	3,051 кГц	6,623 Гц	0,103 Гц
Діапазон зміни коеф. перетворення, Кмін.…Кмакс.	15,258Е-06… 999984,741Е-06	59,604644Е-09 … 999999,940Е-06	931,322575Е-12 … 999999,999Е-06
ДЦСЧ з мультиплексуванням керуючих кодів
При К ? 1
Мін. період тактових імпульсів Твхмін.	20 нс	20 нс	20 нс
Макс. частота тактових імпульсів fвх.макс.	50 МГц	50 МГц	50 МГц
Діапазон вихідних частот fвих.мін.…fвих.макс.	762,939 Гц … 49999237,06 Гц	2,98 Гц … 49999997,019 Гц	0,046 Гц … 49999999,953 Гц
Мін. крок зміни частоти	762,939 Гц	2,98 Гц	0,046 Гц
Діапазон зміни коеф. перетворення, Кмін. … Кмакс	15,258Е-06… 999984,741Е-06	59,604644Е-09 … 999999,940Е-06	931,322575Е-12 … 999999,999Е-06
При К > 1
Мін. період тактових імпульсів Твх.мін.	557052 нс	142606327,5нс	9126805495,5 нс
Макс. частота тактових імпульсів fвх.макс.	1,795 кГц	7,012 Гц	0,109 Гц
Діапазон вихідних частот fвих. мін.… fвих. макс.	1,795 кГц… 117,637 МГц	7,012 Гц … 117,642 МГц	0,109 Гц … 117,038 МГц
Мін. крок зміни частоти	1,795 кГц	7,012 Гц	0,109 Гц
Діапазон зміни коеф. перетворення, Кмін. … Кмакс.	1…65535	1…16777215	1…1073741823
ДЦСЧ на конвеєрному нагромаджувальному суматорі
Мін. період тактових імпульсів Твх.мін.	3 нс	3 нс	3 нс
Макс. частота тактових імпульсів fвх.макс.	333,333 МГц	333,333 МГц	333,333 МГц
Діапазон вихідних частот fвих. мін.…fвих. макс.	5086,258 Гц … 333327913,742 Гц	19,868 Гц … 333332980,132 Гц	0,31 Гц … 333332999,689 Гц
Мін. крок зміни частоти	5,086 кГц	19,868 Гц	0,31 Гц
Діапазон зміни коеф. перетворення, Кмін … Кмакс.	15,258Е-06… 999984,741Е-06	59,604644Е-09 … 999999,940Е-06	931,322575Е-12 … 999999,999Е-06

Наведені дані підтверджують істотні переваги запропонованих ДЦСЧ над класичним дворівневим синтезатором: за функціональними можливостями, що стосується усіх розроблених пристроїв; швидкодією і функціональними можливостями - стосовно пристрою на конвеєрному нагромаджуючому суматорі; діапазону значень коефіцієнта перетворення - стосовно синтезатора з мультиплексуванням керуючих кодів.

В розділі наведені також результати використання розробленого ДЦСЧ на двох комбінаційних суматорах для імітації вихідних сигналів дозиметричних детекторів. При цьому показано можливість урахування мертвого часу і чутливості детекторів для забезпечення імітації потужності експозиційної дози іонізуючого випромінення в заданому діапазоні, з заданим кроком її зміни і з достатньою точністю.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукового завдання, що виявляється у створенні нових структур ДЦСЧ, які забезпечують керованість кроком зміни вихідної частоти, підвищення їх швидкодії та зменшення нерівномірності вихідної імпульсної послідовності, що дозволяє створювати синтезатори з покращеними метрологічними характеристиками.

Проведено аналіз принципів побудови ДЦСЧ і показано, що існує потреба в створенні нових структур таких пристроїв, на основі яких можна розробляти швидкодіючі синтезатори з керованим кроком зміни частоти, в яких зменшена нерівномірність вихідних імпульсних послідовностей, а також потреба в аналізі характеристик ДЦСЧ, зокрема, аналізі їх похибок перетворення. На основі аналізу загальних принципів побудови запропоновано структури ДЦСЧ, в яких забезпечується керованість кроком зміни частоти. Проведено аналіз похибки перетворення ДЦСЧ на основі двох комбінаційних суматорів, на основі якого знайдені оптимальні початкові стани елементів схеми, що забезпечують її мінімальне значення.

Удосконалено способи побудови структур ДЦСЧ введенням мультиплексора керуючих кодів і конвеєрного нагромаджувального суматора, що забезпечує розширення діапазону значень коефіцієнта перетворення і підвищення швидкодії.

Отримано нові аналітичні залежності для визначення екстремальних значень абсолютних похибок перетворення розроблених структур і на основі імітаційного моделювання оптимізовано початкові стани структурних елементів, що забезпечує найбільшу точність перетворення.

Показано, що розроблені структурні схеми ДЦСЧ можуть бути використані також і для побудови багаторівневих синтезаторів частоти.

Вперше запропоновано новий підхід до побудови дворівневого цифрового синтезатора частоти, в якому за рахунок конвеєрного способу побудови нагромаджувального суматора і використання додаткового кола керування забезпечується керованість кроком зміни частоти і підвищення швидкодії у порівнянні з аналогічними пристроями. Наприклад, для вибраної елементної бази (ПЛІС фірми Xilinx серії Spartan II) забезпечується мінімальний період вхідної тактової частоти 3 нс, що дозволяє синтезувати частоти в діапазоні 0,31 Гц ч 333,333 МГц (для 30 - розрядного пристрою).

В результаті імітаційного моделювання знайдено оптимальні початкові стани елементів схеми, які забезпечують високу точність перетворення конвеєрного синтезатора, а також визначено залежність часу налаштування пристрою від кількості розрядів. Час налаштування може бути зменшений за рахунок внесення початкових станів регістрів визначених в процесі імітаційного моделювання. Удосконалено метод зменшення нерівномірності вихідних імпульсних послідовностей синтезаторів за допомогою симетричної структури керованого пристрою затримки, що забезпечує потрібну точність часової затримки і усуває необхідність коректувати константи схеми. Визначені граничні можливості зменшення нерівномірності вихідних імпульсів синтезатора.

В процесі використання системи автоматизованого проектування ПЛІС були визначені технічні характеристики синтезаторів, з чого випливає, що запропоновані ДЦСЧ можуть застосовуватись для широкого кола практичних задач. Результати теоретичних досліджень використані для створення засобів імітації вихідних сигналів дозиметричних детекторів з урахуванням їх мертвого часу і чутливості та мають: широкий діапазон відтворення потужності експозиційної дози (ПЕД) (від 1 мкР/год до 1000 Р/год); можливість оперативної зміни середнього значення ПЕД; керованість кроком зміни ПЕД; можливість урахування індивідуальних параметрів дозиметричних детекторів.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Максимович В.М. Дворівневий синтезатор частоти / В.М. Максимович, Р.І. Стахів // Вісник “Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології”. - Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2002. - № 468. - C. 29-34.

2. Стахів Р.І. Цифрові синтезатори частоти / Р.І. Стахів // Збірник наукових праць “ Комп'ютерні технології друкарства”. - Львів: Українська Академія друкарства, 2003 - №10 - С.138-145.

3. Стахів Р.І. Аналіз похибок дворівневого синтезатора частоти / Р.І. Стахів, В.М. Максимович // Вісник “Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології”. - Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2003. - № 496. - С.17-22.

4. Стахів Р.І. Оцінка швидкодії дворівневого цифрового синтезатора частоти на накопичувачі з мультиплексуванням керуючих кодів / Р.І. Стахів, В.М. Максимович // Збірник наукових праць “Комп'ютерні технології друкарства”. - Львів: Українська Академія друкарства, 2004 - №11 - С.59-67.

5. Максимович В.М. Конвеєрний дворівневий синтезатор частоти / В.М. Максимович, Р.І. Стахів // Збірник наукових праць “Комп'ютерні технології друкарства”. - Львів: Українська Академія друкарства, 2008 - №19 - С.129-138.

6. Стахів Р.І. Цифровий дворівневий синтезатор на накопичувачі на двох комбінаційних суматорах, з усуненням нерівномірності вихідних імпульсів / Р.І. Стахів, В.М.Максимович // Збірник наукових праць “Комп'ютерні технології друкарства”. - Львів: Українська Академія друкарства, 2005 - №13 - С. 227-233.

7. Корекція похибок число-імпульсних функціональних перетворювачів: матеріали ІІ міжнародної науково-практичної конференції [“Сучасні наукові дослідження - 2006”], (Дніпропетровськ, 20-28 лют. 2006 р) / Cтахів М.Ю., Мороз Л.В., Стахів Р.І. - 2006. - С. 34-38.

8. Стахів Р.І. Цифровий дворівневий синтезатор частоти на накоплювачі з мультиплексуванням керуючих кодів / Р.І. Стахів, В.М. Максимович // Контроль і управління в складних системах: VII міжнар. наук.-техн. конф., 8-11 жовтня 2003р.: тези доп. - Вінниця, 2003. - С.102.

АНОТАЦІЯ

Стахів Р.І. Цифрові синтезатори частоти на основі число-імпульсних перетворювачів кодів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2010.

Дисертація присвячена розробленню нових та вдосконаленню існуючих апаратних засобів побудови дворівневих цифрових синтезаторів частоти (ДЦСЧ), які дозволяють істотно розширити функціональні та покращити метрологічні характеристики даних пристроїв.

Проведено аналіз принципів побудови ДЦСЧ і показано, що існує потреба в створенні нових структур таких пристроїв, на основі яких можна розробляти швидкодіючі синтезатори з керованим кроком зміни частот, в яких зменшена нерівномірність вихідних імпульсних послідовностей, а також дослідженні характеристик ДЦСЧ та аналізі їх похибок перетворення.

Розроблено та проаналізовано структури ДЦСЧ з можливістю керування кроком зміни частоти, зокрема, - на двох нагромаджувальних суматорах; на нагромаджувальному суматорі з мультиплексуванням керуючих кодів, коефіцієнт перетворення якого може бути як меншим, так і більшим від одиниці; синтезатори адаптовані до конвеєрного способу побудови нагромаджувальних суматорів, що дозволило істотно підвищити швидкодію даних пристроїв, і, як наслідок, збільшити максимальну вихідну синтезовану частоту. Знайдено оптимальні початкові стани елементів схеми, які забезпечують високу точність перетворення синтезаторів, а також визначено залежність часу налаштування конвеєрного ДЦСЧ від кількості розрядів.

Удосконалено метод зменшення нерівномірності вихідних імпульсних послідовностей синтезаторів за допомогою застосування симетричної структури керованого пристрою затримки, що дає можливість забезпечити потрібну точність часової затримки і усуває необхідність коректувати константи схеми.

Отримані наукові результати використані при розробці апаратних засобів імітації вихідних сигналів дозиметричних детекторів.

Ключові слова: цифрові синтезатори частоти, число-імпульсні перетворювачі кодів, конвеєрні перетворювачі, керовані пристрої затримки.

АННОТАЦИЯ

Стахив Р.И. Цифровые синтезаторы частоты на основе число-импульсных преобразователей кодов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2010.

Диссертация посвящена разработке новых и усовершенствованию имеющихся аппаратных средств построения двухуровневых цифровых синтезаторов частот (ДЦСЧ), которые позволяют существенно расширить функциональные и улучшить их метрологические характеристики.

На основании анализа общих принципов построения ДЦСЧ предложены структуры ДЦСЧ, в которых обеспечивается управление шагом изменения частоты.

Рассмотрен ДЦСЧ на двух накопительных сумматорах, в котором обеспечивается управление шагом изменения частоты и выведены новые аналитические зависимости для определения экстремальных значений абсолютных погрешностей синтезатора при любом конечном количестве их двоичных разрядов.

Разработан ДЦСЧ на накопительном сумматоре с мультиплексированием управляющих кодов, коэффициент преобразования которого может быть как меньшим, так и большим единицы.

Проведено имитационное моделирование предложенных структур ДЦСЧ, результаты которого подтвердили выводы теоретических исследований, в частности, относительно того, что абсолютная погрешность преобразования предложенных синтезаторов частот, за счет оптимального выбора начальных состояний элементов схемы, не превышает единицы младшего разряда. Показано, что разработанные структурные схемы ДЦСЧ могут быть использованы также и для построения многоуровневых синтезаторов частот.

Впервые предложено новый подход к построению ДЦСЧ, в котором, за счет конвейерного способа построения накапливающего сумматора и использования дополнительной цепи обратной связи, обеспечивается возможность управления шагом изменения частоты и повышение быстродействия в сравнении с аналогичными устройствами и, как следствие, увеличение максимальной выходной синтезированной частоты.

Найдены оптимальные начальные состояния элементов схемы, которые обеспечивают высокую точность преобразования конвейерного синтезатора, а также определена зависимость времени настройки устройства от количества разрядов. Время настройки может быть уменьшено за счет внесения начальных состояний регистров памяти, определенных в процессе имитационного моделирования

Усовершенствован метод уменьшения неравномерности выходных импульсных последовательностей синтезаторов с помощью применения симметричной структуры управляемого устройства задержки, который дает возможность создавать временные задержки необходимой точности, и исключает необходимость корректировать константы схемы. Определены предельные возможности уменьшения неравномерности выходных импульсов синтезатора.

Разработанные модели ДЦСЧ использовались при проектировании и настройке дозиметрических устройств, в частности, каналов цифровой обработки в дозиметре-сигнализаторе поисковом ДКС-02ПН "КАДМІЙ" и интеллектуальном блоке детектирования гамма-излучения БДБГ-09 в ЧП "НВПП "Спаринг-Віст Центр" (г. Львов).

Ключевые слова: цифровые синтезаторы частоты, число-импульсные преобразователи кодов, конвейерные преобразователи, управляемые устройства задержки.

ANNOTATION

Stakhiv R.I. The frequency digital synthesizers on the basis of pulse-numerical codes converters - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree in speciality 05.13.05 - computing systems and components. Lviv Polytechnik National university, Lviv, 2010.

Thesis is devoted to development of new and perfection of existent construction hardware of two-level frequency digital synthesizers (TFDS) which allow substantially extend functional and improve metrological characteristics of these devices.

The analysis of TFDS construction principles is implemented and it is shown that exists a requirement in creation of such devices new structures, on the basis of which it is possible to develop fast-acting synthesizers with the step of frequencies in which reduced the output impulsive sequences irregularity.

Necessity in the analysis of TFDS characteristics, in particular, in the analysis of their conversion errors exists too.

The TFDS structures are developed and analyzed with possibility of frequency changing step guiding, in particular, - on two accumulators; on accumulator with multiplexing of control codes, a conversion coefficient of which can be both less and greater from one; synthesizers adapted to the pipe-lined method of the accumulators construction, that allowed substantially increase the speed of these devices, and, as a result, increase the maximal output synthesized frequency.

The optimum initial states of circuit elements are found, which provide a high exactness of synthesizers conversion, and also a dependence of pipe-lined TFDS tuning time from the bits amount.

The method of the synthesizers output impulsive sequences irregularity reducing is improved by application of delay control symmetric structure device enabling the providing of time delay necessary exactness and removing of circuit constant correcting necessity.

Received scientific results have been used for the development of dosimetric detectors output signals imitation.

Keywords: frequency digital synthesizers, pulse-numerical codes converters, pipe-lined converters, control delay devices.

Размещено на Allbest.ru

...