Способ формирования сигнала с заданной частотой программно-управляемых синтезаторов Российский патент 2023 года по МПК G01R23/02 H03L7/16 G06F1/08 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к программируемым синтезаторам, используемых, например, для автоматических измерительных систем, и может быть использовано для повышения точности задания частоты периодического сигнала на выходе программно-управляемых синтезаторов [G01R 23/00, G01R 23/02, H03B 19/00, H03B 28/00].

Известные из уровня техники технические решения по формированию периодических сигналов заданной частоты основываются на применении кварцевых генераторов тактовой частоты, программно-управляемых делителей частоты и формирователей выходного периодического сигнала, примером которых могут служить микросхемы, подобные AD9910 фирмы Analog Devices, 1508ПЛ8Т фирмы ОАО НПЦ «ЭЛВИС».

Аналог способа управления точностью выходной частоты описан в устройстве «МГВЧ INTE162» [Генератор сигналов произвольной формы МГВЧ. Технические характеристики, https://informtest.ru/catalog/vch_generatory/generator_signalov_proizvolnoy_formy_mgvch, опубл.: 18.01.2021]. Для генератора «МГВЧ INTE162» в процессе изготовления и эксплуатации проводится внешняя калибровка, при которой выходы воспроизведения аналоговых каналов генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ), выполненного на основе микросхемы AD9739 и функционального генератора (ГФ), выполненного на основе микросхемы AD9910, подключают по очереди к внешнему частотомеру и производят измерения, по результатам которых определяют значения поправочных величин смещения, которые записывают в репрограммируемое постоянное запоминающее устройство генератора «МГВЧ INTE162». При таком решении пределы допускаемой относительной погрешности установки частоты ГФ и ГСПФ при воспроизведении синусоидального сигнала, не более ± 0,003%.

Недостатком калибровки данного прибора является на порядок худшая относительная точность установки частоты (3×10^-5) в сравнении со встроенным в него кварцевым генератором тактовой частоты с относительной нестабильностью (2,5×10^-6).

Прототипом к заявленному техническому решению является СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ КОРРЕКЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ЧАСТОТЫ ТАКТОВОГО ГЕНЕРАТОРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА (ВАРИАНТЫ) [RU 2390786 C1, опубл.: 27.05.2010], где применяют способ измерения усредненной частоты тактового генератора за заданный интервал усреднения, определяют поправочный коэффициент соотношения измеренной частоты тактового генератора микроконтроллера к его номинальной частоте, измеренное микроконтроллером значение частоты или длительности периода контролируемого внешнего сигнала, соответственно, умножают или делят на поправочный коэффициент и полученный результат отображают на индикаторе микроконтроллера. Особенностью предлагаемых вариантов устройства для реализации способа является введение дополнительных элементов: источника опорного напряжения, фильтра нижних частот, сумматора, таймера, двухпозиционного переключателя, D-триггера, элементов «И» и «НЕ», блока умножения, блока деления, первого, второго и третьего блоков множителя. Предлагаемое изобретение может быть использовано для повышения точности измерения или задания частоты сигналов.

Основной технической проблемой прототипа является низкая надежность и сложность изготовления, обусловленные необходимостью использования дополнительных устройств, а также низкое быстродействие, а следовательно, и невозможность применения для измерения быстрых периодических колебаний. Кроме того, при измерении погрешности частоты не учитывается погрешность формирования выходной частоты, обусловленная отклонением значения опорной частоты при изготовлении и нестабильностью генератора опорной частоты, что ведет к снижению точности измерений.

Задача изобретения состоит в устранении недостатков прототипа, а именно в повышении точности формирования выходной частоты программно-управляемого синтезатора, исключающей разброс величины частоты при изготовлении первичного источника частоты, погрешность, вносимую измерительными устройствами при непосредственном измерении частоты на выходе первичного источника частоты, временнýю деградацию, температурный уход частоты, зависимость от разброса питания первичного источника частоты. Общая погрешность программно-управляемого синтезатора будет зависеть только от погрешности примененного частотомера, кратковременной нестабильности частоты первичного источника и разрядности синтезатора частот, при чем внешний частотомер является источником наибольшей погрешности.

Технический результат изобретения заключается в повышение точности синтеза частот, обеспечение возможности коррекции частоты тактового генератора программно-управляемого синтезатора в процессе калибровки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ формирования сигнала с заданной частотой программно-управляемых синтезаторов, отличающийся тем, что с помощью модуля управления, подключенного к фазовому аккумулятору программно-управляемого синтезатора устанавливают величину частоты выходного сигнала F_вых кратной частоте тактирующего сигнала F_ткт, программно-управляемый синтезатор при этом формирует на выходе частоту F_вых кратную действительной частоте кварцевого генератора F_кв, которую измеряют внешним частотомером и корректируют с помощью модуля управления, при этом для корректировки определяют дискретность изменения выходной частоты F_вых = F_ткт/2ⁿ и кратность выходной частоты F_вых частоте тактирующего сигнала с кратностью М=2ⁿ/К, где n – разрядность фазового аккумулятор, а К – коэффициент умножения частоты кварцевого генератора, которые задают в модуле управления для управления и коррекции частоты программно-управляемого синтезатора.

На фигуре показана функциональная схема устройства для измерения истинной частоты первичного источника, на которой обозначено: 1 – программно-управляемый синтезатор, 2 – кварцевый генератор, 3 – модуль управления, 4 – умножитель, 5 – фазовый аккумулятор, 6 – преобразователь фаза-амплитуда, 7 – цифроаналоговый преобразователь, 8 - частотомер.

Осуществление изобретения.

Способ формирования сигнала с заданной частотой программно-управляемых синтезаторов реализуется с помощью методики измерения истинной частоты первичного источника которую покажем на примере устройства, содержащем программно-управляемый синтезатор 1, кварцевый генератор 2 и модуль управления 3. Программно-управляемый синтезатор 1 содержит умножитель 4 с коэффициентом умножения K частоты кварцевого генератора 2, подключенного ко входу умножителя 4. К выходу умножителя 4 подключен фазовый аккумулятор 5 с разрядностью n-бит. К выходу фазового аккумулятора 5 подключен преобразователь фаза-амплитуда 6. К выходу преобразователя фаза-амплитуда 6 подключен цифроаналоговый преобразователь 7. Модуль управления 3 подключен к управляющему входу фазового аккумулятора 5 и выполнен, например, в виде ПЭВМ.

Кварцевый генератор 2 подключен ко входу программно-управляемого синтезатора 1, а именно ко входу умножителя 4.

В некоторых вариантах реализации программно-управляемый синтезатор 1 может быть выполнен без умножителя 4. Упомянутый умножитель 4 частоты кварцевого генератора 2 не является принципиальным, обеспечивая лишь удобство использования микросхемы применением кварцевых генераторов 2, с меньшей величиной частоты. В этом варианте реализации кварцевый генератор 2 подключен к фазовому аккумулятору 5.

К выходу цифроаналогового преобразователя 7 подключен частотомер 8.

Сущность способа повышения точности формирования частоты сигналов программно-управляемых синтезаторов заключается в определении истинной частоты F_кв кварцевого генератора 2.

Для этого с помощью модуля управления 3 устанавливают величину частоты выходного сигнала F_вых кратной частоте тактирующего сигнала F_ткт, программно-управляемый синтезатор 1 при этом формирует на выходе частоту F_вых кратную действительной частоте кварцевого генератора F_кв, которую измеряют внешним частотомером 8 и корректируют с помощью модуля управления 3.

Частоту выходного сигнала программно-управляемого синтезатора 1 рассчитывают по формуле:

F_вых = M × F_ткт / 2ⁿ, (1)

где F_вых – выходная частота программно-управляемого синтезатора 1, n – разрядность фазового аккумулятора 5, M – код частоты, 0 ≤ M ≤ 2ⁿ -1, F_ткт – тактовая частота.

F_ткт = F_кв × К, (2)

где F_кв – частота кварцевого генератора 1, К – коэффициент умножения умножителя 4.

Множитель F_ткт/2ⁿ представляет собой дискретность изменения выходной частоты F_вых программно-управляемого синтезатора 1.

В этом случае исходя из формулы (1) под М понимают количество шагов, необходимых для получения на выходе программно-управляемого синтезатора 1 истинной частоты F_кв кварцевого генератора 2.

Подставляют в выражение (1) вместо F_ткт выражение (2), получают:

F_вых = F_кв × K × M / 2ⁿ (3)

Примем, что кварцевый генератор 2 работает при идеальных условиях, то есть его частота F_кв соответствует паспортным значениям. В этом случае F_вых = F_кв и тогда выражение (3) примет вид:

F_вых = F_вых × K × M / 2ⁿ (4)

Упростим уравнение, разделив обе его части на F_вых:

1 = K × M / 2ⁿ (5)

откуда

М = 2ⁿ/К (6)

Исходя из полученного выражения для М следует, что М – постоянная для конкретного программно-управляемого синтезатора 1 величина, так как величина K заранее известна, и выбирается пользователем из технических условий на микросхему программно-управляемого синтезатора 1.

Для вычисления модулем управления 3 множителя М, обеспечивающего величину коэффициента деления тактовой частоты М = 2ⁿ/К программно-управляемого синтезатора 1 в модуле управления 3 вводят значения частоты калибровки = F_кв и выходной частоты, F_вых = F_ткт/К ( = F_кв ). Если в применяемом программно-управляемом синтезаторе 1 коэффициент К равен 1, соотношение вводимых величин удобно использовать 1:10
(F_вых = F_кв /10). В этом случае величина частоты F_кв, измеренная частотомером должна быть увеличена в 10 раз для ввода в окно калибровки по окончании калибровки.

Необходимо обеспечить условие, чтобы величина выходной частоты F_вых при описанных условиях находилась в пределах до 0,3 F_ткт (в пределах середины зоны Найквиста).

Пример 1.

В программно-управляемом синтезаторе 1 используют умножитель 4 с режимом внутреннего умножения K = 6 частоты кварцевого генератора 2 c паспортной частотой F_кв = 10 МГц. Разрядность фазового аккумулятора 5 примем равной 32 бита.

В модуль управления 3 вводят значения F_кв = 10 МГц и F_вых = 10 МГц.

Из формулы (2) вычисляют F_ткт = 60 МГц.

Дискретность изменения выходной частоты F_вых программно-управляемого синтезатора 1:

F_ткт / 2ⁿ = 60 МГц / 2³² = 0,013969838619232177734375 Гц.

По формуле (6) вычисляют М:

М = 2³² / 6 = 4294967296 / 6 = 715 827 882,66666666666666666666667.

Подставляем полученные значения F_ткт / 2ⁿ и М в формулу (1) получаем идеальное значение частоты выходного сигнала F_вых с программно-управляемого синтезатора 1, равное истинной частое F_кв кварцевого генератора 2.

F_вых = 715827882,66666666667 × 0,013969838619232177734375 = 10 000 000 Гц.

Пример 2.

Если частота кварцевого генератора 2 отличается от номинальной, например F_{кв реал} = 10000137 Гц, тогда в программно-управляемом синтезаторе 1 реально будет изменена только F_ткт = 10000137 × 6 = 60000822 Гц

Дискретность изменения выходной частоты F_вых программно-управляемого синтезатора 1 изменится соответственно:

F_ткт / 2ⁿ = 60000822 Гц / 2³² = 0,0139700300060212612152099609375 Гц.

Поскольку число М не изменялось (для вычисления М в модуль управления 3 были введены значения Fкв = 10 МГц и Fвых = 10 МГц):

М = 2³² / 6 = 715 827 882,66666666666666666666667

Подставляем полученные значения F_ткт / 2ⁿ и М в формулу (1), получаем истинное значение частоты выходного сигнала F_вых с программно-управляемого синтезатора 1, равное истинной частоте F_кв кварцевого генератора 2.

F_вых = 715827882,66666666667 × 0,0139700300060212612152099609375 =10000137,000000000000046566766687 Гц.

В этом случае реальная частота кварцевого генератора 2:

F_{кв реал} = F_кв +D (7)

При К=6

F_ткт = (F_кв +D) × 6 = 6 F_кв +6D (8)

Дискретность изменения выходной частоты F_вых программно-управляемого синтезатора 1 изменится соответственно:

F_ткт / 2ⁿ = ( 6 F_кв +6D)/ 2ⁿ (9)

Поскольку число М = 2ⁿ / К в этом случае не меняется, то подставляя полученные значения F_ткт / 2ⁿ и М в формулу (1), получают:

F_вых = M × F_ткт / 2ⁿ = {2ⁿ / 6 × ((F_кв +D) × 6)} / 2ⁿ = F_кв +D (10),

то есть значение частоты выходного сигнала F_вых с программно-управляемого синтезатора 1, равное истинной частоте F_{кв реал} кварцевого генератора 2.

Измеряют F_вых на выходе программно-управляемого синтезатора 1 частотомером 8 и используют для управления выходной частотой программно-управляемого синтезатора 1 как истинную величину частоты F_{кв реал} кварцевого генератора 2.

Процесс калибровки легко поддаётся программной автоматизации, предустановленные величины F_вых и F_кв в соответствии с предлагаемым способом вводят на этапе программирования для конкретного изделия, что ведёт к сокращению по времени процесса измерения величины первичного источника частоты F_кв и необходимо реализовать только ввод истинной частоты F_кв, измеренной внешним частотомером 8 в модуль управления 3. Ввиду линейной зависимости частоты выходного сигнала F_вых программно-управляемого синтезатора 1 от тактовой частоты F_ткт и множителя M, достаточно коррекции величины F_кв в одной точке, чтобы обеспечить максимально точное воспроизведение частот во всём диапазоне перестройки.

Технический результат - повышение точности синтеза частот, обеспечение возможности коррекции частоты кварцевого генератора с помощью программно-управляемого синтезатора в процессе калибровки достигается за счет того что, для калибровки с помощью модуля управления 3 для программно-управляемого синтезатора 1 определяют дискретность изменения выходной частоты F_вых = F_ткт/2ⁿ и кратность выходной частоты F_вых частоте тактирующего сигнала с кратностью М=2ⁿ/К, где n – разрядность фазового аккумулятора, а К – коэффициент умножения частоты кварцевого генератора, которые затем задают в модуле управления 3 для управления и коррекции частоты программно-управляемого синтезатора 1.

Кварцевые генераторы обладают отклонением реально генерируемой частоты от номинальной (паспортной) в зависимости от многих причин. Способ обеспечивает временную компенсацию этих отклонений, чем и достигается повышение точности задания частоты сигнала на выходе программно-управляемого синтезатора. Особенностью предлагаемого способа является то, что он позволяет реализовать минимальную погрешность синтезируемых частот, определяемую только разрядностью фазового аккумулятора 5 и стабильностью кварцевого генератора 2 на определённом отрезке времени при использовании высококачественных кварцевых генераторов 2, обладающих высокой температурной и долговременной стабильностью.

На сегодняшний день самым стабильным прецизионным генератором является ГК336R-ТС [https://morion.com.ru/files/uploads/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/Sovremennaya_Electronica.pdf]. Он изготавливается на частоту 10 МГц с очень широким допуском по точности настройки (±300∙10^–6), без возможности управления частотой. Кратковременная нестабильность частоты: 8∙10^–13 за 100 секунд. Долговременная нестабильность частоты: до ±1x10^-8 /год. Обратим внимание, что широкий допуск по точности настройки должен быть скомпенсирован предлагаемым способом с целью максимальной реализации возможностей по стабильности генератора.

Программно-управляемый синтезатор 1 под управлением модуля управления 3 с разрядностью фазового аккумулятора n = 32 потенциально обеспечивает относительную погрешность установки выходной частоты F_вых не хуже 1/2³² ≈ 2,3 × 10^-10.

Очевидными преимуществами предлагаемого способа повышения точности формирования частоты сигналов программно-управляемых синтезаторов путем цифровой коррекции отклонения величины частоты программно-управляемого синтезатора 1 являются:

1. отсутствие необходимости изготовления и включения в схему дополнительных устройств;

2. возможность применения способа без ограничения частотного диапазона программно-управляемого синтезатора 1;

3. возможность устранения погрешности формирования выходной частоты F_вых и продления межповерочных сроков устройств автоматических измерительных систем;

4. оперативность корректировки величины F_кв для проведения максимально точных измерений на период времени, определяемый временной нестабильностью кварцевого генератора;

5. возможность программной автоматизации ввода необходимых величин с целью экономии времени на проведение калибровки;

6. простота проведения калибровки.

Заявленный способ промышленно может быть реализован с применением серийно выпускаемых программно-управляемых синтезаторов, например Холдинг «Информтест» г. Зеленоград с программно-управляемой частотой с помощью модуля управления 3, выполненного в виде ПЭВМ, в составе измерительной системы и частотомером 8. Таким образом, заявленное техническое решение промышленно реализуемо на средствах существующего уровня техники и обеспечивает достижение заявленного результата.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к программируемым синтезаторам, используемым, например, для автоматических измерительных систем, и может быть использовано для повышения точности задания частоты периодического сигнала на выходе программно-управляемых синтезаторов. Сущность заявленного способа формирования сигнала с заданной частотой программно-управляемых синтезаторов заключается в том, что для калибровки с помощью модуля управления 3 для программно-управляемого синтезатора 1 определяют дискретность изменения выходной частоты F_вых=F_ткт/2ⁿ и кратность выходной частоты F_вых частоте тактирующего сигнала с кратностью М=2ⁿ/К, где n – разрядность фазового аккумулятора, а К – коэффициент умножения частоты кварцевого генератора, которые затем задают в модуле управления 3 для управления и коррекции частоты программно-управляемого синтезатора 1. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности синтеза частот, обеспечение возможности коррекции частоты тактового генератора программно-управляемого синтезатора в процессе калибровки. 1 ил.

Способ формирования сигнала с заданной частотой программно-управляемых синтезаторов, отличающийся тем, что с помощью модуля управления, подключенного к фазовому аккумулятору программно-управляемого синтезатора, устанавливают величину частоты выходного сигнала F_вых кратной частоте тактирующего сигнала F_ткт, программно-управляемый синтезатор при этом формирует на выходе частоту F_вых, кратную действительной частоте кварцевого генератора F_кв, которую измеряют внешним частотомером (8) и корректируют с помощью модуля управления, при этом для корректировки определяют дискретность изменения выходной частоты F_вых=F_ткт/2ⁿ и кратность выходной частоты F_вых частоте тактирующего сигнала с кратностью М=2ⁿ/К, где n – разрядность фазового аккумулятора, а К – коэффициент умножения частоты кварцевого генератора, которые задают в модуле управления для управления и коррекции частоты программно-управляемого синтезатора.