ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОГО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО СИНТЕЗАТОРА В УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ

APPLICATION OF A DIGITAL COMPUTATIONAL SYNTHESIZER IN A DEVICE FOR THE STUDY AND CONTROL OF OPERATIONAL AMPLIFIERS IN THE FREQUENCY DOMAIN

Danila Safronov

Student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, I.S. Turgenev Orel State University,

Russia, Orel

Vladislav Mishin

Scientific supervisor, candidate of Technical Sciences, associate professor, I.S. Turgenev Orel State University,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

Для исследования и контроля операционных усилителей (ОУ) в частотной области необходим генератор синусоидального и прямоугольного сигналов. В этой статье рассмотрены способы реализации такого генератора, описаны их преимущества и недостатки. Разработана принципиальная схема цифрового вычислительного синтезатора.

ABSTRACT

To study and control operational amplifiers (op-amps) in the frequency domain, a generator of sinusoidal and rectangular signals is required. This article discusses the ways to implement such a generator, describes their advantages and disadvantages. A schematic diagram of a digital computing synthesizer has been developed.

Ключевые слова: операционные усилители; контроль параметров; измерение.

Keywords: operational amplifiers; parameter control; measurement.

В процессе разработки автоматизированной системы исследования и контроля операционных усилителей в частотной области необходимо реализовать программно-управляемый генератор синусоидального и импульсного сигнала, обладающего высокой скоростью перестройки, точностью задания и стабильностью поддержания частоты. Для синтеза таких сигналов используются следующие методы [1]:

– прямой аналоговый синтез (Direct Analog Synthesis, или DAS) на основе структуры, содержащей смеситель, фильтр, делитель частоты, причем выходная частота получается непосредственно из опорной частоты посредством выполнения нескольких операций;

– косвенный синтез на основе фазовой автоподстройки частоты (Phase Locked Loop, или PLL), при котором выходная частота получается с помощью дополнительного генератора, как правило, генератора, управляемого напряжением (Voltage Controlled Oscillator, или VCO), охваченного петлей фазовой автоподстройки частоты;

– прямой цифровой синтез (Direct Digital Synthesis, или DDS), когда выходной сигнал синтезируется цифровыми методами.

Для интеграции в состав системы в качестве формирователя измерительных сигналов наиболее подходит генератор прямого цифрового синтеза (DDS). Уникальность DDS заключается в том, что генерируемый сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Генераторы DDS находят все более широкое применение, поскольку по сравнению с обычными аналоговыми синтезаторами частот обладают целым рядом преимуществ [2]:

– цифровое управление частотой и фазой выходного сигнала, предельно упрощающее интегрирование генераторов DDS в состав программно-управляемых средств измерений;

– широкий диапазон частот – от долей герц до десятков и даже сотен

мегагерц;

– высокое разрешение по частоте (до микрогерц) и фазе (до десятых

долей градуса);

– высокая скорость перестройки частоты (или фазы), которая ограничивается лишь быстродействием его цифрового интерфейса [3];

– перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и переходных процессов установления выходного напряжения; – отсутствуют явления старения, температурного и временного дрейфа.

Устройство формирования измерительных сигналов с применением технологии DDS более функционально, чем аналоговый синтезатор, т. к. его параметрами можно непосредственно управлять кодом, формируемым программным обеспечением АПК; для формирования сигнала с заданной частотой не требуется никаких промежуточных преобразований.

К недостаткам DDS можно отнести большое количество побочных гармоник, возникающих в процессе формирования сигнала и дискретность установки частоты. Эти недостатки генератора DDS не являются критическими при его использовании в составе АПК для измерения динамических параметров ОУ.

Для измерения частотных характеристик операционного усилителя (ОУ) необходим прецизионный генератор синусоидального сигнала и меандра. Отвечает всем требованиям генератор фирмы Analog Devices AD9850[4].

Этот генератор представляет собой высоко интегрированное устройство, использующее передовые технологии прямого синтеза частоты (DDS), которые в сочетании с внутренним высокоскоростным и высокопроизводительным цифроаналоговым преобразователем образуют полноценный цифровой программируемый синтезатор частот и обеспечивают функцию тактового генератора с синусоидальным выходным сигналом или сигналом в виде меандра. Частота генератора задается 32-разрядным словом, что позволяет достичь разрешение настройки выходного сигнала 0,0291 Гц при опорной тактовой частоте 125 МГц. Такое разрешение позволит с высокой точностью построить АЧХ измеряемого ОУ, а также определить частоту единичного коэффициента усиления.

Архитектура AD9850 позволяет генерировать выходные частоты до половины опорной тактовой частоты (или 62,5 МГц), а выходная частота может изменяться цифровым способом (асинхронно) со скоростью до 23 миллионов новых частот в секунду. Устройство также обеспечивает пятибитную фазовую модуляцию с цифровым управлением, которая обеспечивает фазовый сдвиг выходного сигнала с шагом 180°, 90°, 45°, 22.5°, 11.25° и любую их комбинацию. Программируемая фаза выходного сигнала является необходимым условием при измерении длительности нарастания и спада сигнала на выходе измеряемого ОУ.

Команды настройки частоты, управления и фазовой модуляции загружаются в AD9850 параллельной шиной данных при помощи микроконтроллера. Команда состоит из пяти 8-битных посылок (5 байт). Первый байт управляет фазовой модуляцией, включением отключения питания; байты со 2 по 5 содержат 32-разрядную команду настройки частоты.

Питание генератора осуществляется от линейного стабилизатора с выходным напряжением 3.3 Вольта. Потребление генератора составляет 155 мВт при частоте выходного сигнала 110 МГц, т.е. 46 мА.

Генератор подключен согласно типовой схеме, приведенной в техническом описании на него (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема подключения AD9850

Данное подключение обеспечивает фильтрацию питания генератора, подключение его по шине данных, входу тактовой частоты и пину перезагрузки генератора к микроконтроллеру, а также генерацию сигнала заданной частоты и формы согласно характеристикам, описанным выше.

Список литературы:

1. Ридико, Л. И. DDS: прямой цифровой синтез частоты // Компоненты и технологии. – 2001. – №7. – С. 50 – 54.
2. Eva Murphy, Colm Slattery. All About Direct Digital Synthesis // Analog Dialogue 38-08, August 2004. URL: http://www.analog.com/library/analog- Dialogue/archives/38-08/dds.pdf.
3. Eva Murphy, Colm Slattery. Direct Digital Synthesis (DDS). Controls Waveforms in Test, Measurement, and Communications // Analog Dialogue 39, August 2005. URL: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39- 08/dds_apps.pdf.
4. AD9850 CMOS 125 MHz DDS/DAC Synthesizer. – Analog Devices, Inc., 2004. URL: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD9850.pdf.