Простой лабораторный синтезатор сверхвысокой частоты

Компоненты и технологии, № 6'2003

Простой лабораторный синтезатор

сверхвысокой частоты

Проблема стабильности частоты в приемопередающих устройствах существовала всегда. На относительно низких частотах (до 100-150 МГц) она решалась применением кварцевых резонаторов, на более высоких (400 МГц) — с помощью резонаторов на поверхностно-акустических волнах (ПАВ-резонаторах), для стабилизации же сверхвысоких частот часто применяют диэлектрические резонаторы из высокодобротной керамики или другие высокодобротные резонаторы [1]. Описанные способы стабилизации с помощью пассивных компонентов имеют свои достоинства — простоту и сравнительную дешевизну реализации, но их главный недостаток — невозможность сколько-нибудь существенной перестройки частоты без смены частотозадающего элемента — резонатора. Невозможность быстрой электронной перестройки рабочей частоты при сохранении ее стабильности резко ограничивает применение радиоустройств, не позволяя, например, реализовать многоканальность.

Николай Штуркин, Иван Малыгин, к.т.н.

ivm@institute-rt.ru

Получившие в настоящее время широкое распространение интегральные синтезаторы частоты различных зарубежных фирм позволяют осуществить быструю электронную перестройку рабочей, в том числе и сверхвысокой, частоты, сохраняя при этом ее высокую стабильность. Такие синтезаторы частоты бывают прямого и косвенного типов [2]. К достоинствам прямого синтеза относится высокое быстродействие при малом шаге сетки частот, но из-за необходимости фильтрации большого количества спектральных компонент, вызванных многочисленными нелинейными преобразованиями сигнала, в СВЧ-схемах устройства прямого синтеза применяются редко [3]. Для синтеза сверхвысоких частот обычно применяет синтезаторы косвенного типа, или синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Существует два основных типа интегральных синтезаторов с ФАПЧ — программируемые, значения частоты в которых задается внешним микроконтроллером по трехпроводной шине, и непрограммируемые, где коэффициенты деления внутренних делителей частоты фиксированы, а опорная

ГУН

Фильтр обратной связи Интегральный синтезатор частоты

Опорный кварцевый генератор

ВЫХОД СВЧ

Микроконтроллер

Рис. 1. Структурная схема лабораторного синтезатора СВЧ

частота задается внешним кварцевым резонатором. В простых СВЧ-схемах обычно применяют непрограммируемые интегральные синтезаторы, например, MC12179 фирмы Motorola [4], к недостаткам которых следует отнести необходимость точного выбора кварцевого резонатора, что не всегда возможно. Программируемые синтезаторы частоты, например, UMA1020M фирмы Philips, лишены этого недостатка, а поскольку в современных системах связи обязательно присутствует управляющий микроконтроллер, осуществить программирование такого синтезатора технически несложно. Автогенераторы сверхвысокочастотного диапазона используются в виде функционально законченных модулей, выполненных по гибридной технологии [5].

Примером применения описанных решений может служить простой лабораторный синтезатор сверхвысокой частоты, позволяющий с высокой точностью генерировать и стабилизировать частоту в диапазоне 1900-2275 МГц.

Структурная схема спроектированного синтезатора показана на рис. 1, внешний вид— нарис. 2.

«- m

V «і >

л . * *•» ' " « •Vt

» r. » »*« ІІ>- r “ 1

'і - Si * >і '{‘l ?•- Г' * ‘ 1 .

ниад я<и» >4 zi*T’ » ' |

і «J - *y d** -4 ,

tri _ 7

(і / — _

Рис. 2

Компоненты и технологии, № 6'2003

VDD1 DGND VDD2 dout Vcc

Как видно их схемы, синтезатор состоит из управляемого напряжением генератора (ГУН или VCO) JTOS-2200 фирмы Mini-Circuits, интегрального синтезатора частоты UMA-1020М и микроконтроллера Z86E0208PSC фирмы Zilog.

Сверхвысокочастотный сигнал, генерируемый ГУНом, поступает на выход лабораторного синтезатора и на вход главного программируемого делителя частоты, входящего в схему UMA-1020М. Опорный сигнал, вырабатываемый кварцевым генератором JCO-8, поступает на вспомогательный программируемый частотный делитель, также входящий в схему UMA-1020М. Структурная схема UMA-1020М показана на рис. 3, подробную техническую документацию наUMA-1020М можно найти на сайте фирмы-производителя www.philips.de. Коэффициенты обоих делителей — главного и вспомогательного — устанавливаются микроконтроллером Z86E0208PSC по трехпро-

водной (данные DATA, синхронизация CLK и разрешение записи /ENABLE) шине. Структурная схема микроконтроллера Z86E0208PSC показана на рис. 4. Внутреннего ПЗУ микроконтроллера достаточно для программирования семи различных значений частот и одного тестового режима. Конкретные значения частот (или тестовый режим) устанавливаются перемычками на печатной плате лабораторного синтезатора. Перед загрузкой очередного значения частоты в интегральный синтезатор микроконтроллер опрашивает порт, подключенный к перемычкам, и в соответствии с полученными данными выбирает ту или иную прошивку. Новое значение частоты устанавливается автоматически при включении питания платы синтезатора. Алгоритм программирования синтезатора для микроконтроллера Z86E0208PSC показан на рис. 5, листинг программы с пояснениями приведен справа.

Рис. 5

load_up .macro

ld r2,#15h

$$:

ldc r4,@rr0

ld P2,r4

incw rr0

or P2,#00010000b

nop

and P2,#1b

djnz r2,$B

ld P2,#00100000b

nop

nop

or P2,#00010000b

nop

nop

clr P2

.endm

.org 000ch

ld rp,#10h;

clr p2m

ld p01m,#1

ld P2,#0fh

ld r3,#0ah

dl1:

ld r2,#0ffh;

dl2:

ld r1,#0ffh

dl3:

nop

djnz r1,dl3

djnz r2,dl2

djnz r3,dl1

ld r0,#>sys_regs

ld r1,#<sys_regs

ld r3,#02

srlp:

load_up

djnz r3,srlp

ld r0,#>ptr_tab

ld r1,#<ptr_tab

ld r4,P0

and r4,#8

add r1,r4

adc r0,#0

ldc r4,@rr0

ld r0,#>data_loop

ld r1,#<data_loop

add r1,r4

adc r0,#0

load_up

endloop:

stop

jp endloop;

.org 0100h

data_loop:

test_reg:

.byte 0,0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,1 ; lights-off

f1900:

.byte 0,0,1,0,0, 1,0,1,0, 0,0,1,1, 1,0,0,0, 0,1,0,0 ; 19000

f1960:

.byte 0,0,1,0,0, 1,1,0,0, 1,0,0,1, 0,0,0,0, 0,1,0,0 ; 19600

f2100:

.byte 0,0,1,0,1, 0,0,1,0, 0,0,0,0, 1,0,0,0, 0,1,0,0 ; 21000

f2150:

.byte 0,0,1,0,1, 0,0,1,1, 1,1,1,1, 1,1,0,0, 0,1,0,0 ; 21500

f2200:

.byte 0,0,1,0,1, 0,1,0,1, 1,1,1,1, 0,0,0,0, 0,1,0,0 ; 22000

f2250:

.byte 0,0,1,0,1, 0,1,1,1, 1,1,1,0, 0,1,0,0, 0,1,0,0 ; 22500

f2275:

.byte 0,0,1,0,1, 1,0,0,0, 1,1,0,1, 1,1,1,0, 0,1,0,0 ; 22750

sys_regs:

.byte 0,0,0,0,1, 0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,1 ; options

.byte 0,0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,1,1,0, 0,1,0,0, 0,1,0,1 ; ref-div = 100

ptr_tab:

.byte %0, %015, %02a, %03f, %054, %069, %07e, %093

.end

Є~

Компоненты и технологии, № 6'2003

+5 В

С14 10mkx 16В

ї

СЮ 100Н

т

R8 18

control

VCORF

~^~C9 1000 ^710k^

C8100H

C7

33H

R9

10k

C16100H

R11 3.9k

DA1 UMA1020

C5100H

RFa

~T

ZQ3 JTOS-2200

n R5 18 R618

Hh=^r&r

C61H =t= 1—[

С31ІТГ

ІC4 1 H

R4 56

T

+5 В

R318 U вых

C2 1 H :

C1 100H :

R1 51

-o-

1 20

2 19

3 18

4 17

5 16

6 15

7 14

8 13

9 12

10 11

R12 120 C11 100H

—II---------A

R13 15k

И

R16 1k

R2 10k

I

ZQ2MC01500A 10 МГц

R15

R14 1k

+5 В C15 100H A

1k

DD1

Z86E0208PSC

+5 В

ZQ1 8.000 МГц

C12 -27

P4 P?

Pb P1

P6 РП

P7 GND

VCL JP2

XI2 ,!P1

XI1 JP0

SA3

SA2

SA1

-C13 _ 27

R10 1k

Рис. 6

&

Более подробно о программировании микроконтроллеров фирмы можно прочитать в соответствующей литературе [6, 7], полная техническая документация доступна на сайте www.zilog.com.

Особенностью применяемого ГУНа 1Т08-2200 является диапазон напряжения настройки: от 0,5 до 5 В. То есть, если значение напряжения настройки будет меньше 0,5 В, фирма-производитель не гарантирует устойчивую генерацию колебаний. Проведенные

ZQ2

R1

R2

R14Q

С12

С13

ZQ1

DD1

R16

R15

R5E Q3

R3

С7

лгП D С8

С2

а ° QR8

R4

R9

DA1

о"’^Э

R13C11 О—^ Шбаз HISA2 ZD SA1

R11

R10 О

С15

Рис. 7

эксперименты показали правдивость данного утверждения.

Принципиальная схема синтезатора показана на рис. 6, расположение элементов — на рис. 7.

Принцип функционирования ФАПЧ, а также методика расчета фильтра обратной связи (Loop filter) довольно широко рассматривались в технической литературе [8], поэтому в данной статье мы этой темы касаться не будем. Существует несколько бесплатно распространяемых программ, позволяющих рассчитывать параметры фильтров обратной связи, их можно найти в Интернете на сайте www.analog.com или www.national.com.

Для контроля правильности работы схемы синтезатора на плате установлен светодиод, свечение которого говорит об ошибке синтеза частоты. При корректной работе лабораторного синтезатора светодиод гореть не должен, однако эта функция может быть отключена программно.

Себестоимость собранного лабораторного синтезатора не превышает $40. В качестве удешевления предлагаемого устройства можно предложить два пути: во-первых, можно объединить кварцевый источник опорных колебаний синтезатора и микроконтроллера, при этом надо помнить, что максимальная тактовая частота Z86E0208PSC составляет 8 МГц, в то время как для UMA-1020М она может быть в пределах 5-40 МГц, Во-вторых, ГУН можно разработать самостоятельно на транзисторах или усилительных интегральных микросхемах, используя методику, приведенную в специальных пуб-

ликациях [9, 10]. Желающие повторить описанный синтезатор могут воспользоваться архивом, который находится по адресу: http://www.institute-rt.ru/info/freqsynt1.

гаг — он содержит все файлы, необходимые для изготовления печатной платы и программирования микроконтроллера.

Литература

1.

2.

Диэлектрические резонаторы / Под ред. М. Е. Ильченко. М.: Радио и связь. 1989. Пестряков А. В. Интегральные схемы для устройств синтеза и стабилизации частот // Chip News. 1996. № 2.

Лобов В., Стешенко В., Шахтарин Б. Цифровые синтезаторы прямого синтеза частот // Chip News. 1997. № 1,

Wireless Semiconductor Solutions. Motorola. Device Data. Vol. 1. DL 110/D, Rev 9,

VCO Designer's Handbook 2001. VCO/HB-01. Mini-Circuits.

Гладштейн М. А. Микроконтроллеры семейства Z86 фирмы Zilog. Руководство программиста. М.: Додэка. 1999,

The Z8 Application Note Handbook. Zilog. DB97Z8X0101.

Стариков О. Метод ФАПЧ и принципы синтезирования высокочастотных сигналов // Chip News. 2001. № 6,

Microwave Oscillator Design. Application Note A008 // Hewlett-Packard Co. Publication number 5968-3628E (6/99),

10. Shveshkeyev P. A VCO Design for WLAN Applications in the 2.4 to 2.5 GHz ISM Band // Applied Microwave&Wireless. 2000. № 6,

5.

6.

7.

9