Управление синтезатором частот с помощью микпроцессора

Разъем №6 - является выходом 4 разрядного кода выбранного на синтезаторе диапазона, если его декодировать при помощи микросхемы, можно будет управлять реле для коммутации выбранного диапазона.

Разъем №7 - на его выходе присутствует сигнал с уровнем TTL и с частотой ГУН. Этот выход синтезатора можно будет использовать с приемниками с преобразованием вверх.

Разъем №8 - на этот разъем следует по ранее приведенной схеме стабилизаторов, подать питающее напряжение.

Разъем №9 - с его разъема снимается выработанный синтезатором сигнал для последующей его подачи на смеситель. С уровнем TTL, то есть размах напряжения 0-5 вольт и форма - меандр. На этом разъеме присутствует как нормальный по частоте сигнал, так и удвоенный по частоте сигнал, который можно использовать для смесителей в которых противофазный сигнал получается деление на два.

Разъем №10 - к этому разъему следует подключить валкодер, который на выходе имеет квадратурный сигнал от вращения оси валкодера с уровнем сигнала TTL, то есть два импульсных сигнала со сдвигом фаз между собой - или + 90 градусов. В зависимости от направления вращения ручки валкодера. Эти сигналы можно получить, применяя заводской оптический валкодер, или использовать самодельный валкодер на базе механической компьютерной мышки или использовать шаговый двигатель от пяти дюймового дисковода или принтера.

3.3 Устройство работы синтезатора частот

На первый вход фазового компаратора поступает сигнал с единственного генератора управляемого напряжением (ГУН), предварительно поделенного по частоте на 256 при помощи двух микросхем, включенных последовательно.

В качестве микросхемы прямого синтеза частоты была выбрана микросхема AD9832 или AD9835. Ей придется синтезировать относительно низкую частоту, в пределах 250-300 кГц. Микроконтроллер ATMEGA8 управляет работой микросхемы DDS. Микросхема AD9832, осуществляет прямой синтез частоты (Direct Digital Synthesis). С выхода микросхемы выдаётся синусоидальный ВЧ сигнал частотой в пределах от 250 до 300 кГц, который пройдя через фильтр нижних частот пятого порядка с полосой среза 400 кГц и усиленный транзистором до уровня 1 вольт (эффективное значение) поступает на второй вход фазового компаратора. Управление микросхемой DDS осуществляется микроконтроллером по шинам по специальной программе.

Сигнал ошибки с фазового компаратора, пройдя через пропорционально - интегрирующий фильтр, поступает на реактивный элемент ГУН, в качестве которого, использован варикап, слабо связанный с колебательным контуром через конденсатор номиналом 24 пФ, что улучшает шумовые характеристики синтезатора. ГУН выполнен по схеме индуктивной трехточки на двух затворном полевом транзисторе. Он показал себя наилучшим образом в данной схеме. Для получения необходимого диапазона выходных частот для девяти диапазонов приемника декаметрового диапазона при применении в нем частоты ПЧ в пределах 9-5 МГц, частота ГУН изменяется ступенчато, способом подключения при помощи электронной коммутаций к его колебательному контуру в определенной комплекции, трех подстрочных конденсаторов. А также выходная частота синтезатора зависит от выбранного коэффициента выходного делителя.

В качестве валкодера можно использовать любое устройство, которое способно формировать на двух выходах, сдвинутые по фазе на 90 градусов сигнал. И при этом выдавать 60-100 импульсов на один оборот. Валкодер достаточно качественно работает при разных скоростях вращения ручки настройки. Всем синтезатором управляет не дорогой, но довольно мощный микроконтроллер ATMEGA8-16PI. В качестве задающего генератора использован интегральный генератор.

Выходная частота синтезатора в два раза выше необходимой для смесителя. Для получения противофазного напряжения для смесителя, будет использована микросхема, на выходе которой получается противофазный и поделенный по частоте на два, сигнал синтезатора. В качестве индикатора используется русифицированный двух строчный, шестнадцати символьный жидкокристаллический индикатор. Для питания синтезатора, как пяти, так и двенадцати вольт, должно быть использовано напряжение с минимальным уровнем пульсаций. Лучше применить отдельные стабилизаторы.

Кнопки управления синтезатором. 12 кнопок объединены в поле, и служат для непосредственного управления синтезатором, и оставшиеся 6 кнопок, которые могут быть расположены в любом месте на передней панели служат для переключения режимов. Кнопки для управления режимов работы работают без фиксации - чтобы включить режим нужно нажать на кнопку, повторным нажатием происходит выключение выбранного режима. Для того чтобы понять включен режим или нет - возле каждой кнопки расположен светодиод, который показывает включение выбранного режима. Кнопки управления частотой синтезатора имеют несколько функций. Основную функцию определяет надпись возле кнопки, дополнительно каждой кнопке присвоена цифра.

Настройку синтезатора следует начинать с проверки правильности произведенного монтажа. После этого подают питание +12 вольт и проверяют напряжение на выходе внутренних стабилизаторов на плате синтезатора + 5 Вольт и + 9 вольт. Проверяют работу ГУН, предварительно подав напряжение на варикап через переменный резистор включенный между землей и + 9 Вольт и разорвав цепь управления варикапом.

В качестве микроконтроллера следует использовать микроконтроллер на тактовую частоту 16 МГц ATMEGA8-16PI. При его программировании следует запрограммировать биты на работу от внешнего генератора. Остальные биты оставить по умолчанию. Для программирования микроконтроллера используется программа AVReal.

Положительные качества синтезатора:

- частота сравнения в фазовом компараторе укладываться в меньший промежуток частоты (250-325 кГц), что дает возможность более точно подобрать номиналы фильтра;

- ГУН работает в относительно нешироком диапазоне частот;

- односторонние печатные платы более просты при изготовлении, снижается себестоимость;

- применены SMD компоненты (компоненты для поверхностного монтажа), меньше паразитных влияний;

- ГУН выполнен на 2 затворном транзисторе, что дает более качественный сигнал на его выходе;

- однопалатная конструкция;

- деление частоты ГУНа снижает шум синтезатора.

3.4 Достоинства, недостатки и особенности применения цифровых систем

К достоинствам систем сцифровыми управляющими вычислителями по сравнению с аналоговыми и релейными управляющими системами можно отнести:

- возможность реализации разнообразных алгоритмов управления без изменения аппаратуры управляющего блока;

- широкий частотный диапазон обрабатываемых и формируемых сигналов;

- снижение массы и габаритов управляющего блока;

- повышение надежности аппаратуры, удобство резервирования;

- возможность эффективного диагностирования как управляющего вычислителя, так и аналоговых устройств, подключенных к нему;

- реконфигурация алгоритмов управления и управляющей аппаратуры при отказах, возможность адаптивного и интеллектуального управления;

- отсутствие «плавающего» изменения параметров элементов, составляющих вычислитель (т.н. дрейфа параметров);

- реализация только на цифровых микросхемах.

Однако системы управления с цифровыми управляющими устройствами не свободны от недостатков, к которым можно отнести:

- необходимость введения в состав системы блоков согласования аналоговых и цифровых устройств - АЦ- и ЦА- преобразователей;

- изменение динамических свойств системы с цифровым регулятором по сравнению с аналоговой системой и, как следствие, невозможность прямого переноса алгоритмов, разработанных для аналоговых контуров управления, в цифровую систему;

- применение специальных методов синтеза алгоритмов управления для цифровых систем;

- появление задержки в выработке сигналов для исполнительных устройств за счет времени, затрачиваемого на аналого-цифровое преобразование и вычислительной задержки на реализацию алгоритмов;

- точность обработки информации ограничивается разрядностью представления данных, разрядностью и быстродействием вычислителя;

- усложнение печатного монтажа на платах, увеличение количества проводников в шинах связи между блоками вычислителя;

- влияние надежности и эффективности программного обеспечения на надежность и качество работы всей системы управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение устройств синтеза и стабилизации частоты позволяет не только повысить стабильность и малый уровень побочных спектральных составляющих формируемых сигналов, обеспечить возможность быстрого вхождения в связь и смены рабочих частот, но и перейти к использованию новых высокоэффективных способов организации связи.

Задача диплома заключалась в выборе оптимального по соотношению цена/производительность микроконтроллера из ряда, предлагаемого современными производителями на этом рынке. На первом этапе была рассмотрена классификация микроконтроллеров и отображены критерии их выбора по ценовой категории и соответствию системной спецификации и требованиям. Наиболее выгодной оказалась фирма Atmel, которая является одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве сложных изделий современной микроэлектроники. Продукты их фирмы оказались самыми подходящими, так как отличаются большей скоростью работы и универсальностью при относительно небольшой цене. Подробно было изучено устройство и назначение вводов/выводов выбранного микроконтроллера ATmega 8-16 PI, принцип работы и основные элементы системы.

Следующим шагом было рассмотрение процесса программирования микроконтроллера, основные этапы ассемблирования готовой программы с помощью доступных передовому пользователю программных средств, а также возможности по проверке работоспособности готового продукта. Дальнейшей целью являлось изучить современные синтезаторы частот, в особенности прямые цифровые синтезаторы. На основе этих данных была разработана структурная схема такого синтезатора, который может использоваться в качестве гетеродина в приемнике декаметрового диапазона. Практической задачей являлось написание программы для управления работой синтезатора частот с помощью выбранного микроконтроллера с возможностью контроля работы с вынесенной клавиатуры и ЖКИ, либо с персонального компьютера посредством интерфейса передачи данных.

Поставленные задачи считаю выполненными. Работа микроконтроллера по управлению синтезатором частот может быть оценена при помощи симуляции в программной среде Proteus, которая позволяет смоделировать процесс синтеза частот. Важными достоинствами полученной конструкции являются относительная простота, доступность и ценовые показатели используемых элементов, борьба с паразитными влияниями и снижение шумовых показателей, что немаловажно в современных цифровых устройствах.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. М.Гребнев В.В. ИП Радиософт. 2002 г.

2. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. М.С. Голубцов. Москва, Солон-Пресс. 2003 г.

3. CodeVisionAVR. Пособие для начинающих. М.Б. Лебедев. Москва. Додэка-XXI. 2008 г.

4. Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером. А.Ю. Кузьминов - М.: Радио и связь. 2004 г.

5. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс. Дж.Мортон / пер. с англ. - М. Издательский дом «Додэка-XXI». 2006 г.

6. Занимательно о микроконтроллерах. Микушин А.В. БХВ-Петербург. 2006.

7. Гармонические сигналы в цифровых системах. А.Н. Морозевич, Б.Б. Трибуховский, А.Н. Дмитриев. Минск, 1990.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Программа для программирования компонентов синтезатора.

*/

#include<stdio.h> /* стандартный заголовочный файл ввода библиотеки Си

#include<stdlib.h> /* подключает основные макроопределения Cи

#include<math.h> /* математическая библиотека Си

typedef signed __int64 ftw_t; /* тип, подходящий по размерам для хранения промежуточных результатов вычислений */

#define DDSBITS 32 /* разрядность FTW выбранного DDS */

/* функция преобразования требуемой частоты в FTW при заданной тактовой частоте DDS */

static ftw_t freq2ftw (long osc, unsigned long freq)

{

ftw_t t = (ftw_t) freq << DDSBITS; /* в микроконтроллере эта операция выглядит иначе */

return t / osc; /* возврат из функции

}

/* функция для тестирования результатов - обратное преобразование FTW в значение частоты на выходе DDS */

staticdoubleftw2freq (longosc, ftw_tphase) /* доступ для создания объектов своего класса

{

return (double) osc * phase / pow (2, DDSBITS);

}

void main (int argc, char * * argv) /* спецификатортипа

{

long fq1 = 63960000; /* частота, которую хотим получить на выходе кольца ФАПЧ */

if (argc> 1)

fq1 = strtol (argv [1], NULL, 10); /* или задаем частоту как аргумент в командной строке */

if (fq1 < 0) return;

/* Константы синтезатора - расчитываются один раз и зависят от диапазона рабочих частот, фильтра и частоты сравнения */

const long r1 = 256; /* делитель после DDS - коэфециент деления опоры для PLL */

const long freqlow = 1800000; /* минимальная выходная частота синтезатора */

const long osc = 16000000; /* тактовая частота на входе DDS */

const long cf = 400000; /* Центр полосы пропускания фильтра после DDS */

const long df = (long) ( ( (ftw_t) cf * cf) / (freqlow * r1) ); /* требуемая полоса пропускания фильтра после DDS */

const ftw_t ph1_min = freq2ftw (osc, cf - df / 2); /* фаза, соответствующая минимальной частоте на выходе DDS */

/* Печать требуемой полосы пропускания фильтра на выходе DDS */

printf («dds center = %ld kHz, dds bw = %ld kHz\n», cf / 1000, df / 1000);

#if 1

/* эта строка при худщей точности позволяет обойтись 64-битами */

ftw_t ph1_m = freq2ftw (osc, fq1) * r1; /* преобразование требуемой частоты в воображаемую фазу */

#else

const long osc_m = osc * r1; /* тактовая частота на входе DDS - воображаемое значение - для точного варианта расчета */

/* Эта строка при лучшей точности позволяет требуемую частоту увеличить более чем 64 bit */

ftw_t ph1_m = freq2ftw (osc_m, fq1); /* преобразование требуемой частоты в воображаемую фазу */

#endif

// Расчет

long n1 = (long) (ph1_m / ph1_min);/* на сколько делится частота гетеродина в PLL */

ftw_t ph1a = ph1_m / n1; /* FTW для DDS */

/* Печать получившихся результатов и тест - на какую частоту в самом деле настроились */

printf («DDS out = %6.6f Hz\n», ftw2freq (osc, ph1a) );

printf («PLL R/N = %ld/%ld\n», (long) r1, (long) n1);

printf («PLL out = %6.6f Hz (desired = %6.6f Hz) \n», ftw2freq (osc, ph1a) * n1 / r1, (double) fq1);

}

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СтандартRS-232

RS232 - популярный протокол, применяемый для связи компьютеров с модемами и другими периферийными устройствами. RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных для обеспечения большей устойчивости к помехам. Интерфейс RS-232 соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс). Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций определения статуса и управления. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. Интерфейс был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Каждое слово в названии значимое, оно определяет интерфейс между терминалом и модемом по передаче последовательных данных. Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

В RS-232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 иногда обозначают MARK, логический 0 - SPACE. Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 - положительные. Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект сильно связан с электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.

Назначение сигналов следующее:

FG - защитное заземление (экран).

TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).

RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).

RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.

DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).

DTR - готовность выходных данных.

RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети.

Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.

Длина кабеля влияет на максимальную скорость передачи информации. Более длинный кабель имеет большую емкость и соответственно для обеспечения надежной передачи более низкую скорость. Большая емкость приводит к тому, что изменение напряжения одного сигнального провода может передаться на другой смежный сигнальный провод. Максимальным расстоянием обычно считается равным 15 м, но это не установлено в стандарте.

Скорость передачи информации по RS-232 измеряется в Бодах. Эта единица названа в честь Эмиля Бодо, французского инженера по телеграфии, изобретателя первого печатающего устройства для телеграфа (телепринтера), представленного на Международной Телеграфной конференции в 1927. Максимальная скорость согласно стандарту 20000 Бод. Однако современное оборудование может работать значительно быстрее. Не имеет значения, насколько быстрое (медленное) ваше соединение - максимальное число чтения за секунду можно установить с помощью используемого программного обеспечения.

Управление потоком. Управление потоком представляет управлять передаваемыми данными. Иногда устройство не может обработать принимаемые данные от компьютера или другого устройства. Устройство использует управление потоком для прекращения передачи данных. Могут использоваться аппаратное или программное управление потоком.

Аппаратное управление потоком. Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS. Он использует дополнительно два провода в кабеле, а не передачу специальных символов по линиям данных. Поэтому аппаратное управление потоком не замедляет обмен в отличие от протокола Xon-Xoff. При необходимости послать данные компьютер устанавливает сигнал на линии RTS. Если приемник (модем) готов к приему данных, то он отвечает установкой сигнала на линии CTS, и компьютер начинает посылку данных. При неготовности устройства к приему сигнал CTS не устанавливается.

Программное управление потоком. Программный протокол управления потоком Xon/Xoff использует два символа: Xon и Xoff. Код ASCII символа Xon - 17, а ASCII код Xoff - 19. Модем имеет маленький буфер, поэтому при его заполнении модем посылает символ Xoff компьютеру для прекращения посылки данных. При появлении возможности приема данных посылается символ Xon и компьютер продолжит пересылку данных. Этот тип управления имеет преимущество в том, что не требует дополнительных линий. Но на медленных соединениях это может привести к значительному замедлению соединения, т.к. каждый символ требует 10 битов.

Программное обеспечение. Утилита Hercules SETUP - полезный терминал последовательного порта (RS-232 или RS-485), протоколов UDP/IP и TCP/IP (клиент или сервер). Может использоваться с оригинальными устройствами Ethernet.

Основные полезные части:

- терминал последовательного порта;

- TCP/IP клиентский терминал;

- TCP/IP серверный терминал.

Основные особенности:

- не требует инсталляции, только один.EXE файл;

- работает с виртуальным последовательным портом;

- можно использовать простые макрофункции, включающую посылку HEX-команд. Макрофункции сохраняются в регистрах, и Hercules запоминает их;

- терминал последовательного порта показывает состояния и может управлять сигналами модема;

- можно пересылать файлы и сохранять полученные данные в файле;

- поддержка безопасной TCP/IP-авторизации для клиента и сервера TCP/IP, тестовых режимов;

- поддержка передачи данных TCP/IP в TCP/IP-сервере или клиенте TCP/IP;

- поддержка передачи данных UDP/IP в UDP/IP-терминале;

- поддержка сетевого виртуального терминала NVT (Network Virtual Terminal) в тестовом режиме;

- применение Telnet дополнительно с NVT позволяет конфигурировать последовательный порт, проводить идентификацию устройства, подтверждение передачи данных и др.

Terminal - это простой эмулятор терминала последовательного порта (COM). Может применяться для коммуникации с различными устройствами, такими как модемы, роутеры, GSM телефоны. Очень полезная утилита для отладки приложений для соединений по последовательному каналу.

Основные особенности:

- маленький размер файла;

- простая посылка файла;

- счетчик символов;

- скорость обмена до 256 кБит/c;

- запись в файл;

- передача макросов

Tera Term (Pro) - свободно распространяемый эмулятор терминала для MS-Windows. Поддерживает соединение по последовательному порту.

Основные особенности:

- скорость обмена 14400;

- макро: комментарий, который можно включить в любую строку;

- новое диалоговое окно Setup TCP/IP;

- лист истории хостов;

- использование кодировок русского языка;

- новые иконки;

- возможность выделения текста;

- выполнение команд меню при помощи горячих клавиш, определяемых пользователем.[4, С.4-11]

Размещено на Allbest.ru

...