СПОСОБ ФАЗОВОЙ ПРИВЯЗКИ ГЕНЕРИРУЕМОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ К ИМПУЛЬСУ ВНЕШНЕГО ЗАПУСКА
METHOD FOR PHASE LOCK-IN OF GENERATED PULSE SEQUENCE TO EXTERNAL TRIGGERING PULSE

Изобретение относится к устройствам импульсной техники и может быть использовано в прецизионных генераторах импульсов.
В прецизионных генераторах импульсов, предназначенных для генерирования последовательностей импульсов с задаваемыми длительностью, временной задержкой и периодом повторения, возникает проблема фазовой привязки генерируемой последовательности импульсов к импульсу внешнего запуска. Это означает, что отсчет любых временных параметров генерируемой последовательности импульсов осуществляется относительно импульса внешнего запуска.
Если допустимая погрешность привязки сопоставима с периодом следования тактовых импульсов, вырабатываемых внутренним опорным (обычно кварцевым) генератором и синхронизирующих работу всех узлов генератора импульсов, то эта проблема легко решается средствами цифровой схемотехники, т.е. формирование выходной последовательности импульсов начинается по первому тактовому импульсу, следующему за импульсом внешнего запуска. Поскольку импульс внешнего запуска никак не привязан к тактовым импульсам, то погрешность их привязки к импульсу внешнего запуска может варьироваться в пределах одного периода тактовых импульсов. Это проявляется в виде дрожания (джиттера) всех фронтов и спадов генерируемой последовательности импульсов относительно импульса внешнего запуска. Если же допустимая временная погрешность привязки должна быть существенно (на один-два порядка) меньше периода тактовых импульсов, то возникает необходимость в фазовой привязке тактовых импульсов. Классические методы синхронизации с точностью до фазы (например, фазовой автоподстройки частоты - ФАПЧ) здесь не применимы из-за высокой инерционности используемых кварцевых генераторов и возможной нерегулярности импульсов внешнего запуска.
В общем виде суть применяемых методов сводится к тому, что тактовые импульсы задерживаются до совпадения начала очередного тактового импульса с началом импульса внешнего запуска (чаще его задержанной на период тактовых импульсов копией).
Известен способ фазовой привязки, основанный на средствах аналоговой схемотехники, используемый в генераторе импульсов Г5-66 [Г5-66 генератор импульсов. Техническое описание и инструкция по эксплуатации [Текст]: 3.269.085 ТО]. В соответствии с ним задержка между предшествующим тактовым импульсом и импульсом внешнего запуска запоминается в виде пропорционального ей напряжения. Для этого задержка преобразуется в напряжение с помощью первого генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), запускаемого тактовым импульсом и останавливаемого импульсом внешнего запуска (задержанным импульсом внешнего запуска для упрощения реализации). Каждый последующий тактовый импульс задерживается методом обратного преобразования напряжения в величину задержки с помощью второго ГЛИН, идентичного первому, запускаемого тактовым импульсом и сбрасываемого в начальное состояние по достижении напряжения, сохраненного первым ГЛИН. Момент равенства напряжений фиксируется компаратором, а формируемый на его выходе перепад напряжений привязан по фазе к импульсу внешнего запуска. Выходные импульсы компаратора и представляют собой задержанные тактовые импульсы, привязанные по фазе к импульсу внешнего запуска.
Реализуется способ так. Поступивший импульс внешнего запуска разрешает прохождение тактовых импульсов на устройство фазовой привязки и одновременно задерживается линией задержки на период следования тактовых импульсов. Первый тактовый импульс, следующий за импульсом внешнего запуска, запускает первый генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), построенный как интегратор на основе заряда конденсатора постоянным током, отключаемым задержанным импульсом внешнего запуска. С приходом задержанного импульса внешнего запуска постоянный ток интегратора отключается и на выходе первого ГЛИН (на его конденсаторе) сохраняется уровень напряжения, соответствующий задержке импульса внешнего запуска по отношению к предшествующему тактовому импульсу. Так осуществляется преобразование задержки импульса внешнего запуска по отношению к ближайшему предшествующему опорному тактовому импульсу в уровень напряжения. Все последующие тактовые импульсы запускают второй ГЛИН, выходное напряжение которого сравнивается компаратором с сохраненным напряжением первого ГЛИН, и при совпадении напряжений на выходе компаратора формируется задержанный тактовый импульс. Поскольку скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения у обоих ГЛИН выбираются одинаковыми, то тактовые импульсы на выходе компаратора оказываются привязанными по фазе к импульсу внешнего запуска. Они используются в качестве тактовых импульсов для всех остальных узлов генератора.
Таким образом, в генераторе импульсов используется промежуточное преобразование задержки в напряжение, его запоминание и обратное преобразование в задержку.
Однако описанный способ фазовой привязки имеет существенные недостатки.
1. С течением времени запоминающий конденсатор первого ГЛИН будет разряжаться, что неминуемо приведет к пропорциональному увеличению погрешности восстановления времени задержки. Через несколько миллисекунд после прихода импульса внешнего запуска запоминающий конденсатор интегратора полностью разряжается и фазовая синхронизация исчезает.
2. Прецизионные аналоговые высокоскоростные узлы работают на фоне мощных цифровых сигналов (тактовые импульсы), что приводит к существенным ошибкам при преобразовании задержки в напряжение и обратно. Поэтому остается существенный остаточный джиттер.
В качестве прототипа выбираем способ, реализованный устройством [RU 2256290 С2. Устройство фазовой привязки генерируемой последовательности импульсов к импульсу внешнего запуска. 05.05.2003 г.], который устраняет первый недостаток. Сущность способа состоит в преобразовании задержки между импульсом внешнего запуска и предшествующим ему тактовым импульсом в пропорциональное напряжение и, далее, с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код, сохранении его в виде цифрового кода и последующем обратном преобразовании сохраненного цифрового кода в уровень напряжения с помощью цифроаналогового преобразователя и, далее, преобразовании напряжения в задержку всех последующих тактовых импульсов. Таким образом, способ [RU 2256290 С2. Устройство фазовой привязки генерируемой последовательности импульсов к импульсу внешнего запуска. 05.05.2003 г.] отличается от [Г5-66 генератор импульсов. Техническое описание и инструкция по эксплуатации [Текст]: 3.269.085 ТО] дополнительным преобразованием напряжения в код и кода в напряжение. Сохранение величины задержки в виде цифрового кода исключает ее изменение с течением времени.
Из задержанных тактовых импульсов формируются последовательности импульсов прецизионного генератора с задаваемыми длительностью, временной задержкой и периодом повторения.
Формирование осуществляется за счет того, что предварительно все временные параметры последовательности импульсов преобразуются в последовательность кодов, представляющих собой временные сдвиги относительно начала периода, и заносятся в запоминающее устройство, откуда последовательно (в возрастающем порядке) подаются на устройство сравнения кодов, где сравниваются с содержимым счетчика тактовых импульсов, подключенного ко второму входу устройства сравнения кодов. При этом устройство сравнения кодов стробируется задержанными тактовыми импульсами, привязанными по фазе к внешнему запускающему импульсу. Выходные импульсы устройства сравнения кодов воспроизводят временные сдвиги относительно начала периода, задаваемого импульсом внешнего запуска. По этой причине точность фазовой привязки задержанных тактовых импульсов определяет точность фазовой привязки сформированной последовательности импульсов прецизионного генератора.
Первый способ фазовой привязки тактовых импульсов к внешнему запускающему импульсу [Г5-66 генератор импульсов. Техническое описание и инструкция по эксплуатации [Текст]: 3.269.085 ТО] основывается на промежуточном преобразовании временного интервала в напряжение, а затем обратном преобразовании напряжения во временной интервал. Это означает, что происходит накопление ошибок двух преобразований. Во втором варианте [RU 2256290 С2. Устройство фазовой привязки генерируемой последовательности импульсов к импульсу внешнего запуска. 05.05.2003 г.] количество промежуточных преобразований увеличивается и погрешность фазовой привязки даже возрастает, сохраняясь, однако, при больших временных интервалах от импульса внешнего запуска до текущего задержанного тактового импульса.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являются повышение точности фазовой привязки тактовых импульсов к импульсу внешнего запуска во всем интервале временных параметров генерируемой последовательности.
Решение этой задачи обеспечивается путем полного отказа от аналоговых узлов при запоминании и воспроизведении задержки. Способ, реализующий этот подход, состоит в прямом преобразовании задержки в цифровой код, сохранении этого кода и последующем преобразования кода в задержку тактовых импульсов.
Преобразование задержки в цифровой код осуществляется сохранением в запоминающем регистре, в момент появления импульса внешнего запуска, выходных сигналов многоотводной линии задержки, по которой распространяется электромагнитная волна тактового импульса. Полученный цифровой код преобразуется дешифратором в сигналы управления мультиплексором, выделяющим лишь один из выходных сигналов многоотводной линии задержки, представляющий собой задержанные тактовые импульсы, привязанные к импульсу внешнего запуска.
Структурная схема устройства, реализующего способ, показана на фиг.1 и состоит из: многоотводной линии задержки 1; запоминающего регистра 2; дешифратора 3 и мультиплексора 4.
1
2
i
Многоотводная линия задержки может быть построена на любой элементной базе, в том числе на логических элементах повторителях, представляя собой цепь последовательно соединенных повторителей с ответвлениями Di в точках соединения выхода и входа смежных элементов цепи (например, τ и τ - на фиг.1). На вход многоотводной линии задержки подаются тактовые импульсы (CLK). Проходя через многоотводную линию задержки, импульсы тактовой частоты задерживаются на каждом ее элементе на фиксированное время t, равное времени прохождения сигнала через каждый элемент задержки (фиг.2). Суммарное время задержки тактового сигнала может быть вычислено по формуле:
i
где t - время задержки на одном элементе.
Количество элементов n в многоотводной линии задержки 1 должно быть таким, чтобы суммарное время задержки многоотводной линии задержки 1 было равно периоду следования Т импульсов тактового сигнала, т.е.:
i
Или, при одинаковых t:
n
1
n
1
k
1
В момент поступления импульса внешнего запуска (SYNC) запоминающий регистр 2 сохраняет мгновенное значение сигналов (D-D) в точках соединения элементов многоотводной линии задержки 1. Сохраненный в запоминающем регистре 2 код (D-D) преобразуется дешифратором 3 в сигналы управления (A-A) мультиплексором 4, с целью переключения одного из задержанных сигналов тактовой частоты на выход устройства. На фиг.2 показан сигнал (CLKi), задержанный на i элементах многоотводной линии задержки и прошедший на выход мультиплексора 4. На фиг.2 между сигналами (CLKi) и (Di) показана задержка, свойственная реальным цифровым элементам. Количество информационных входов (n) мультиплексора 4, регистра-защелки 2 и количество входов дешифратора 3 определяются количеством элементов линии задержки 1. Количество выходов (k) дешифратора 3 определяется количеством управляющих линий (k) мультиплексора 4, что зависит от способа управления им (параллельный двоичный или унитарный код). Например, для мультиплексора, имеющего n входных линий, количество управляющих линий может быть найдено по формуле:
где n - количество входных линий мультиплексора, k - количество управляющих линий мультиплексора.
8
1
8
1
3
2
1
i
8
1
3
2
1
Для многоотводной линии задержки 1, имеющей восемь элементов задержки (τ-τ), прохождение сигнала через каждый элемент задержки представлено на фиг.3. Для мультиплексора 4, который будет иметь восемь входных (D-D) и три управляющие линии (ААА), может быть построен дешифратор 3 по таблице истинности, представленной на фиг.4 и полученной следующим образом. Один период тактовой последовательности (CLK) разделяется на кванты, количество которых соответствует количеству элементов в многоотводной линии задержки 1. По сути, длительность кванта соответствует времени задержки (t) на одном элементе многоотводной линии задержки 1. В течение одного кванта сохраняется постоянство сигналов на выходах многоотводной линии задержки 1, поэтому код, представленный на фиг.3, представляет собой квантованную последовательность кодов (D-D) на выходах многоотводной линии задержки 1, в соответствие которой поставлен код управления мультиплексором 4 (ААА). Дешифратор 3 выполнит преобразование следующего вида [Водовозов A.M. Цифровые элементы систем автоматики [Текст]. Учебное пособие. - Вологда. ВоГТУ, 2001. - 108 с., ил.]:
8
1
3
2
1
Для примера, пришедший импульс внешнего запуска защелкнет в регистре - защелке 2 код (D-D), выделенный на фиг.4 двумя горизонтальными жирными линиями, в соответствии с которым на выходе дешифратора 3 будет сформирован код управления мультиплексором 4 (ААА). Посредством кода управления, поступающего на входы управления мультиплексором 4, коммутируется одна из входных линий мультиплексора 4 на его выход. Первый импульс на выходе мультиплексора после импульса внешнего запуска будет иметь меньшую длительность по сравнению с длительностью импульсов тактовой последовательности, вызванную задержками на защелкивание кода регистром-защелкой 2, дешифрованием и переключением мультиплексора 4 (фиг.3, первый импульс на выходе CLK5). Последующие импульсы задержанного тактового сигнала на выходе мультиплексора 4 будут иметь номинальную длительность и будут задержаны на время задержки прохождения сигнала через мультиплексор.
j
Необходимо отметить, что неодинаковость звеньев многоотводной линии задержки, температурный дрейф параметров не имеют принципиального значения, поскольку прямое преобразование задержки в код и обратное преобразование кода в задержку осуществляется с использованием той же самой многоотводной линии задержки 1. Величина погрешности (проявляющаяся в виде случайной составляющей - апертурной дрожи или джиттера) t, вызванной дискретностью преобразования, определяется величиной задержки на одном элементе многоотводной линии задержки 1:
Представленный метод цифровой фазовой привязки имеет следующие достоинства.
1. Величину погрешности привязки в виде джиттера, определяемую величиной задержки одного элемента. Уменьшение погрешности достигается уменьшением задержки каждого элемента задержки, сопровождающимся пропорциональным увеличением числа элементов многоотводной линии задержки;
2. Плавную зависимость величины джиттера (апертурной дрожи) задержанных тактовых импульсов от временного интервала между внешним импульсом запуска и текущим тактовым импульсом, определяющуюся, в основном, характеристиками тактового генератора, что обусловлено хранением значения задержки в виде цифрового кода.
3. Малый дрейф систематической составляющей ошибки фазовой привязки в виде медленных изменений среднего значения задержки (апертурная задержка), обусловленный использованием при прямом и обратном преобразовании задержка-код одной и той же линии задержки.
4. Технологичность, обусловленную отсутствием каких-либо настроек, связанных с минимизацией величины джиттера.
5. Малую погрешность, обусловленную использованием цифровых методов обработки.