Синтезатор частоты на микроконтроллере

Рассмотрим строение обычного ФАПЧ синтезатора:

В большинстве случаев ДПКД построен на простых счетчиках с параллельной загрузкой. Загрузкой управляет микроконтроллер. Для коротковолновой аппаратуры требуется малый шаг перестройки частоты, поэтому необходимо выбирать низкую частоту сравнения и большой коэффициент деления ДПКД. Большая разрядность счетчика требует применения большого числа микросхем в этом узле. В данной экспериментальной конструкции было решено реализовать ДПКД на микроконтроллере.
Для экспериментов был выбран широко распространенный контроллер Atmega8. Согласно документации на него таймер/счетчик №1 имеет разрядность 16 бит и может работать в нескольких режимах. Подходящими для ДПКД режимами являются CTC и Fast PWM. В режиме CTC формируется выходной сигнал с частотой Foc=Fclk/2N(1+OCRnA) . Двойка в знаменателе является нежелательной, т.к. при этом формируемая сетка частот будет кратна двум. В режиме Fast PWM выходная частота определяется по формуле: Foc=Fclk/N(1+TOP) где N=1, а TOP- значение регистра сравнения OCR1A(ШИМ с переменной разрядностью), наиболее предпочтительным является именно этот режим работы, он же и используется.
За основу была взята конструкция синтезатора, описанная в журнале "РАДИО" №4, 2003г стр.31("Простой синтезатор частот"). Переделанная мной схема синтезатора показана на следующем рисунке.

В этой схеме был заменен ДПКД и улучшена фильтрация по цепям питания.
Тактовая частота с ГУН подается на вход системной синхронизации XTAL1 D4(контроллер работает в режиме с внешним тактированием). В нем с помощью 16-разрядного счетчика происходит деление этой частоты до частоты сравнения 1КГц, которая снимается с вывода OC1B и далее поступает на вход ЧФД. Кнопками S1 и S2 изменяется модуль счета ДПКД и выходная частота синтезатора с шагом в 1КГц. Последовательно включенные микросхемы D2 и D3 образуют делитель частоты на 45 для образцового кварцевого генератора. Рабочая частота синтезатора отображается на символьном ЖК дисплее.

Макет синтезатора был спаян на двухсторонней плате. Из макетной платы были вырезаны "островки" для микросхем на которых смонтированы все детали. Детали располагаются с двух сторон. Фольга служит в роли земли и к ней припаиваются все заземляемые выводы.

Плата. ГУН + ДПКД на контроллере.

Плата. ОКГ с делителем + ЧФД.

Рекомендации по замене деталей и настройке синтезатора те же, что и в вышеупомянутой статье.
Катушка L1 на каркасе из блока УПЧИ старого телевизора. Была намотана "на глазок", точное число витков подбирается экспериментально. Кварц ОКГ на 45КГц из какого-то древнего измерительного оборудования. Можно применить и на другую частоту, соответственно изменив коэффициент делителя. 16-символьный 2-строчный ЖК дисплей DMC16207 фирмы OPTREX или аналогичный(используется только первая строка). Дроссели ДР1-ДР3 намотаны на ферритовых кольцах К7х4х2 и содержат 7-10 витков изолированного провода. Блокировочные конденсаторы по цепи питания паяются в непосредственной близости к выводам цифровых микросхем. Вообще что касается этих блокировочных конденсаторов, то следует исходить из правила: "чем их больше – тем лучше". Резистором R8 подстраивается требуемая контрастность изображения ЖКИ. Можно исключить этот резистор из схемы, а 3-й вывод ЖКИ заземлить(максимальная контрастность).

Данный синтезатор испытывался на диапазонах 2МГц и 7МГц(с разными контурами L1). На частоте 2МГц прием велся на вещательный КВ АМ-приемник. Стабильность частоты хорошая, еле заметная паразитная модуляция 1КГц несущей – последствия очень простого интегрирующего фильтра петли ФАПЧ. Затем синтезатор был переделан на любительский диапазон 40 метров(7МГц). В этом диапазоне сначала прием велся на тот же вещательный приемник. Была заметна очень сильная паразитная модуляция частоты ГУН. Для ее уменьшения в схему был введен дополнительный подчистной фильтр R16 C18 (применение таких фильтров без расчетов может сильно изменить фазовую характеристику и привести к возбуждению). Это увеличило время установления частоты до 1 секунды(против полсекунды без доп. фильтра), но зато позволило полностью избавится от паразитной модуляции. Испытания с приемом синтезируемого сигнала на самодельный приемник прямого преобразования с высокодинамичным балансным ключевым смесителем на полевых транзисторах на этом дипазоне показали хорошие результаты: чистый тон, отсутствие гармоник ГУН при перестройке по всему 40-метровому диапазону и отсутствие цифровых шумов схемы даже несмотря на то, что синтезатор не был заэкранирован, лежал на столе в нескольких сантиметрах от приемной антенны и вместе с приемником питался от одного источника питания.

Микроконтроллер Atmega8-16PU/PI позволяет работать ГУН на частоте до 16МГц(без оверклокинга). При некоторой переделке управляющей программы можно применить контроллеры Atmega48-20PU/PI, работающие на тактовых частотах до 20МГц и перекрывающие высокочастотные КВ любительские диапазоны(за исключением 10-метрового диапазона). Но у Atmega48 есть еще одна "фишка" – это входной предделитель тактовой частоты, позволяющий работать процессору с входными частотами до 100МГц. Однако, при включении этого предделителя шаг синтезируемой частоты будет равен коэффециенту предделителя.

Разумеется, что шаг в 1КГц – это довольно много для КВ диапазонов. Применив более сложные фильтры и снизив частоту сравнения, можно значительно уменьшить шаг синтезатора. Есть правда еще один способ уменьшения шага синтезатора. Допустим, нам надо чтобы синтезатор перекрывал участок 1,8-2МГц. Мы делаем синтезатор на 18-20МГц, а на его выходе ставим дополнительный делитель на 10. Таким образом мы получим шаг 100Гц.

Исходник Си и прошивки на 7МГц для микроконтроллера Atmega8 скачать здесь.

Синтезатор частоты TSA6060

Фирма Philips Semiconductors занимает лидирующее место среди фирм-производителей синтезаторов частоты, микросхем радиопередатчиков, приемников и других элементов, которые имеют прямое или косвенное применение в системах радиосвязи. На базе синтезаторов частоты ф. Philips Semiconductors строятся модули радиоканалов для автомобильной сигнализации, систем сбора и обработки информации с удаленных объектов, систем безопасности и контроля доступа, а также систем радиотелефонии.

Читайте также:  Кровать поднимающаяся к потолку

Микросхема TSA6060 [1] ф.Philips Semiconductors предназначена для построения цифровых синтезаторов с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), работающих в AM- и FM-диапазонах. Она имеет в своем составе все элементы, необходимые для построения синтезатора частоты с ФАПЧ, за исключением генератора, управляемого напряжением (ГУН) и фильтра низкой частоты (ФНЧ). В состав микросхемы входят: генератор и делитель образцовой частоты, делитель входной частоты с программируемым коэффициентом деления (17 бит), цифровой фазовый детектор, двухуровневый усилитель тока и контроллер обмена информацией с микроконтроллером по протоколу I 2 C. Структурная схема прибора приведена на рис.1. В табл.1 даны номера, обозначения и назначения выводов микросхемы, в табл.2 – ее основные технические характеристики. Микросхема выпускается в корпусах DIP16 и SO16, ее цоколевка приведена на рис.2.

Запись информации в микросхему (ее программирование) осуществляется по двум линиям – SDA и SCL – шины I 2 C [2]. Для программирования используются один адресный и четыре конфигурационных байта. Адресный байт (байт АВ) содержит адрес устройства и бит AS (табл.3). При совпадении этого бита с логическим уровнем на соответствующем выводе микросхемы обеспечивается запись в нее конфигурационной информации. К одной I 2 С-шине могут быть подключены два синтезатора, не зависимых друг от друга, а бит AS позволяет выбрать тот синтезатор, который нужно запрограммировать. Адресный байт не программируется, информация в него заносится при производстве заводом-изготовителем, содержимое бита AS определяется потенциалом на выводе 12 микросхемы.

При необходимости обновления только части информации (например, DBO+DB1) TSA6060 может быть запрограммирована частично. В любом случае передача должна быть закончена "стоповым условием". На рис.3 показана последовательность передачи информации от микроконтроллера в синтезатор частоты. Назначение битов конфигурационных байтов следующее (табл.4):

  • R1, R2 задают шаг частотной сетки (табл.5);
  • X определяет режим работы схемы ("0" — АМ-диапазон, "1" — FM-диапазон);
  • Y управляет выходными ключами ("0" — ключ FM/AM разомкнут, ключ AM/FM замкнут, "1" — наоборот);
  • Z задает частоту используемого кварцевого резонатора;
  • BS управляет режимом одноименного выхода микросхемы (данный выход — с открытым коллектором), при BS="0" выход переводится в высокоимпедансное состояние, при BS="1" — в режим поглощения тока;
  • Т1, Т2, ТЗ определяют режимы тестирования схемы (табл.6).

При Z="0" микросхема должна работать с кварцевым резонатором на 4 МГц, при Z="1" — на 8 МГц. Коэффициент деления входной частоты для AM диапазона (Х="0") равен S2-2 0 + S3-2 1 + S4-2 2 + . + + S15-2 13 + S16-2 14 , а для FM-диапазона (Х="1") SO-2 0 + S1-2 1 + S2-2 2 + . + + S15-2 15 + S16-2 16 .

Причем для AM минимальный коэффициент деления — 2 6 =64, для FM — 2 8 =256.

Если бит СР (бит управления усилителем тока) установлен в "1", то на выходе усилителя формируется ток около 500 мкА, который обеспечивает высокую скорость.настройки. В противном случае (при СР="0"), ток составляет 25 мкА, при этом обеспечивается более высокая точность настройки.

Блок-схема синтезатора с ФАПЧ изображена на рис.4, типовая схема включения — на рис.5. В синтезаторе с помощью фазового детектора осуществляется сравнение фаз образцовой частоты с частотой на выходе программируемого делителя, полученной в результате деления частоты ГУН. Когда петля ФАПЧ находиться в режиме "захвата", то есть когда разность фаз на входе фазового детектора меньше предельно допустимого значения, выход усилителя тока находится в высокоимпедансном состоянии, а на выходе детектора захвата петли (INLCK) присутствует уровень логической "1". Когда петля находится вне режима "захвата", то есть когда фазовым детектором замечена разность фаз между входными сигналами, усилитель тока вырабатывает импульсы коррекции для петлевого фильтра (ФНЧ). Для FM-диапазона фильтр выполнен на элементах C5-C10-R7, для AM — на C6-C9-R6. Длительность импульсов пропорциональна разности фаз. В зависимости от того, какой из поступающих на фазовый детектор сигналов опережает другой, выход усилителя тока переключается либо в режим поглощения, либо в режим источника тока, заряжая или разряжая тем самым конденсаторы в петлевом фильтре до напряжения, необходимого для перевода петли ФАПЧ в режим захвата. Вне режима фазового синхронизма на выходе INLCK присутствует уровень логического "0".

Рис.6 иллюстрирует последовательность процесса управления частотой. На верхнем графике по вертикальной оси отложена частота генератора: f1 — частота ГУН, f2 — стабильная частота образцового генератора. После включения схемы сначала происходит ее программирование. Далее начинает возрастать частота ГУН. Когда разность фаз f2 и fl меньше предельно допустимого значения (интервалы t1-t2, t3-t4 и t > 15), внутренний флаг переходит в "0", сигнализируя о нахождении схемы в режиме захвата. Если частота f1 несколько возрастает, начинается процесс регулировки, внутренний флаг переходит в "1", и f1 возвращается в диапазон захвата (интервал t2-t3). Если f1 уменьшится — все аналогично (интервал t4-t5). Логическая "1" на выходе INLCK, обозначающая нахождение f1 в режиме захвата, появляется с задержкой, равной 8 периодам колебаний f2. Это и объясняет отсутствие логической "1" на выходе INLCK в течение коротких периодов захвата t1 -t2 и t3-t4.

1 WLCK Выход детектора захвата петли ФАПЧ
2 XTAL Вход для подключения кварцевого резонатора (4 или 8 МГц)
3 Vcc1 Вход для подключения первого источника питания (для питания цифровой части синтезатора)
4 Vee Земля
5 FMi Частотный вход для подключения ГУН FM— диапазона
6 DEC Развязка предварительного делителя
7 AMi Частотный вход для подключения ГУН AM— диапазона
8 BS Выход контроля переключения диапазона
9 Fref Выход частоты 40 кГц
10 SDA Вход последовательных данных I 2 С шины
11 SCL Вход синхронизации I 2 C шины
12 AS Вход выбора микросхемы
13 FMO FM-выход для подключения внешнего фильтра
14 LOOPi вход для настройки выходного усилителя напряжения
15 AMO АМ-выход для подключения внешнего фильтра
16 Vcc2 Вход для подключения второго источника питания (для питания аналоговой части синтезатора)
Читайте также:  Как подключить смартфон к роутеру через wifi
Номинальное напряжение питания Vcc1 , В 4,5. 5,5
Номинальное напряжение питания Vcc2, В (Vcc1+1). 12
Потребляемый ток Icc1, мА, не более 15
Потребляемый ток Icc2, мА, не более 1,5
Входная частота AMi, МГц 0,5. 30
Входная частота FMi, МГц 30. 200
Шаг сетки Fобр, кГц 1; 10; 25; 50
Входное напряжение AMi, мВ 30. 500
Входное напряжение FMi, мВ 20. 300

Рис. 1
Структурная схема прибора

Рис. 2
Цоколевка микросхемы

Номер бита 7 6 5 4 3 2 1
Содержимое бита 1 1 1 AS

Рис. 3
Последовательность передачи информации от микроконтроллера в синтезатор частоты

Номер бита 7 6 5 4 3 2 1
DBO S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 СР
DB1 S14 S13 S12 S11 S10 S9 S3 S7
DB2 R1 R2 X Y Z BS S16 S15
ОВЗ Т3 Т2 Т1
R1 R2 Шаг
образцовой
частоты, кГц
1
1 10
1 25
1 1 50
Т3 Т2 Т1 Функция
1 1 Усилитель тока в режиме источника тока
1 1 Усилитель тока в режиме поглощения тока
1 1 1 Выход усилителя тока в третьем состоянии
1 Усилитель тока в режиме поглощения и источника тока
1 1 На выходе BS — частота с делителя
1 На выходе BS — образцовая частота

Рис. 4
Блок-схема синтезатора с ФАПЧ

Рис. 5
Типовая схема включения

Рис. 6
Последовательность процесса управления частотой

В последнее время в печати появилось много схем синтезаторов для аппаратуры диапазона 144-146 МГц. Тем не менее, описанный здесь синтезатор представляет интерес тем, что в нём применена недорогая микросхема-синтезатор LM7001J (производитель – фирма SANYO), используемая в бытовых радиоприёмных устройствах.

Синтезатор предназначен для работы в устройствах с промежуточной частотой 10.7 МГц, обеспечивает формирование сигнала с частотой 133.3-135.3 МГц в режиме приёма и 144-146 МГц в режиме передачи.

Шаг сетки частот составляет 25 кГц.
Есть возможность сканирования частот во всём рабочем диапазоне в режиме приёма.
Количество репитерных каналов –9 (R0-R8)
Напряжение питания синтезатора составляет 8…15В, ток потребления не более 50 мА.
Уровень высокочастотного сигнала на выходе синтезатора на нагрузке 50 Ом составляет не менее 0.1 В.

Управление микросхемой синтезатора осуществляется с помощью микроконтроллера AT90S1200. Этот тип контроллера выбран автором как один из самых дешёвых на рынке.

Индикация частоты производится с помощью ЖКИ индикатора, применяемого в импортных телефонах и АОНах.

При подаче напряжения питания синтезатор сразу начинает работу на частоте, записанной в 1-й ячейке памяти. На индикаторе отображается частота, на которой синтезатор будет работать в режиме передачи. Каждое нажатие на кнопку UP или DN приводит к смещению рабочей частоты на 25 кГц вверх или вниз. При нажатии на кнопку SCAN включается режим сканирования. Сканирование производится во всём диапазоне рабочих частот.

Сигналом остановки сканирования служит уровень логического нуля, поданный на вывод "SCAN" микроконтроллера. Оптимальным образом для этой цели послужит ключ с открытым коллектором, поскольку ножки порта микроконтроллера, настроенные на ввод, притянуты к положительному источнику питания с помощью внутренних резисторов.

При появлении в канале несущей сканирование приостанавливается и возобновляется через несколько секунд после её пропадания. Для выхода из режима сканирования достаточно нажать на одну из кнопок UP, DN, SCAN. При нажатии на кнопку REP синтезатор переходит в режим работы с репитерными каналами. Переход по каналам осуществляется кнопками UP и DN. На индикаторе в этом случае отображается непосредственно номер канала (R0…R8). Режим сканирования для репитерного режима не используется. Выход из него производится повторным нажатием на кнопку REP.

Для перехода на частоту, записанную в одной из ячеек памяти, необходимо нажать на соответствующую кнопку 1….3. Для записи частоты в ячейку памяти необходимо набрать на индикаторе значение частоты, нажать кнопку с номером ячейки и, не отпуская, кнопку REP. При выключении питания информация, записанная в ячейках памяти, сохраняется.

Внутренняя структура микросхемы LM7001, согласно документации позволяет построить синтезатор частоты на частоты 45-130 МГц с шагом 25, 50 или 100 кГц. Однако несколько имеющихся у автора экземпляров этой микросхемы без проблем работали на частотах любительского 2-метрового диапазона 144-146 МГц. Более подробно о этой микросхемы можно узнать из технического описания, имеющихся на многих сайтах с технической информацией (например, на www.promelec.ru в разделе "описания").

Электрическая принципиальная схема синтезатора приведена на рис.1.

Микроконтроллер DD1 обрабатывает команды при нажатии клавиш, выдаёт данные в индикатор и управляет работой синтезатора DA2 по трёхпроводной шине. Микросхема-супервизор DA1 служит для формирования сигнала сброса микроконтроллера. Пока напряжение питания не достигнет значения 4,2В, на выводе 1 микроконтроллера будет присутствовать уровень логического нуля, после чего уровень скачкообразно устанавливается в "1".

При этом исключается искажение информации ОЗУ, возникающие при плавном нарастании напряжения питания микроконтроллера.

Микроконтроллер DD1 тактируeтся от внутреннего генератора DA2, работающего на частоте 7,2 МГц. ГУН собран на транзисторе VT3 по схеме "ёмкостной трёхточки". Катушка индуктивности ГУНа состоит из двух частей. В режиме приёма "работают" обе части катушки, при передаче – только одна (большая) часть.

Читайте также:  Ремонт пластиковой трубы отопления

В составе микросхемы LM7001 есть три ключа на полевых транзисторах (их открытые стоки подключены к выводам ВО1…ВО3). Состояние этих ключей изменяется при изменении соответствующих битов управления. Микросхема программируется так, что во время приёма ключ ВО1 закрыт, ВО3- открыт. При этом диод VD4 заперт и катушка L1 полностью включена. При переходе в режим передачи ключ ВО1 отпирается, ВО3 – запирается, открывается диод VD4 и ёмкость С4 заземляет по переменному току часть катушки.

На транзисторе VT4 собран буферный каскад сигнала ГУНа.

Составной каскад, собранный на транзисторах VT1 и VT2 выполняет роль инвертирующего усилителя сигнала ошибки ФАПЧ и активного фильтра.

Напряжение питания индикатора HG1 (1.5 В), снимается с делителя R1VD1…VD3.

Для согласования уровней логических сигналов, подаваемых на индикатор, применяются резистивные делители R2…R5.

Конструкция и детали

Вся конструкция собрана на одной печатной плате размерами 148х50 мм, выполненной из одностороннего текстолита.

Расположение элементов на печатной плате.(рис.3)

В конструкции использованы постоянные конденсаторы типа К10-17 или КМ. Подстроечный конденсатор С3 – типа КТ4-23. Электролитические конденсаторы С14 и С15 типа К50-35. Постоянные резисторы – типа С2-23, С1-4. Для перестройки ГУНа автор применил имеющиеся у него в наличии варикапы КВ134АT-9. Вместо них с успехом можно применить любые высокочастотные низковольтные варикапы с начальной ёмкостью 18-22 пФ. Микросхему-супервизор DA1 можно заменить импортным аналогом PST529D. В качестве индикатора использован десятиразрядный ЖК модуль с контроллером НТ1611 фирмы Holtek. Индуктивность L1 состоит из двух частей- по 0.5 и 2.5 витков провода 0.45мм (считая от "холодного" конца) на оправке 4мм. Дроссель L2 намотан непосредственно на резисторе R24 и содержат 15 витков провода диаметром 0.15мм.

Настройка

После сборки синтезатора необходимо отпаять верхний (по схеме) вывод резистора R17 и подать на него напряжение +2.5 В от внешнего источника. Для этой цели можно использовать подстроечный резистор сопротивлением 1-10 кОм, одним выводом подключенный к точке +5В, другим- на корпус. Напряжение снимается с движка резистора. Включив синтезатор, его переводят в режим передачи и на выходе OUT с помощью частотомера замеряют частоту ГУНа. Сдвиганием и раздвиганием витков большей части катушки индуктивности L1 добиваются того, чтобы частота генерируемого сигнала была как можно ближе к значению 145.5 МГц. После этого синтезатор переключают в режим приёма и снова контролируют значение частоты. Изменением формы меньшей части катушки устанавливают частоту, генерируемую ГУНом, близкой к 134.8 МГц. По окончании подстройки частоты ГУНа витки катушки фиксируют парафином или воском, вывод резистора R17 запаивают в плату. Далее к выходу синтезатора подключают частотомер. Подстройкой С3 добиваются того, чтобы частота генерируемого сигнала на любом канале отличалась от требуемой не более чем на несколько сотен герц. Заключительный этап-проверка работы синтезатора во всех режимах. Управляющее напряжение на варикапе в рабочем диапазоне частот должно быть в пределах 1.5-4.5 В.

Величину модулирующего сигнала, подаваемого в синтезатор, целесообразно подбирать уже в собранной радиостанции. Качество передаваемого сигнала можно оценить с помощью близкорасположенного контрольного приёмника.
Как запрограммировать микроконтроллер

Для программирования АТ90S1200 автор воспользовался программатором PonyProg2000, разработанным Клаудио Ланконелли. Последние релизы программного обеспечения , схемы программаторов для различных типов микроконтроллеров и подробную инструкцию по использованию можно найти на сайте www.lancos.com. "Железо" этого программатора содержит базовый блок, подключаемый к СОМ – либо LPT порту компьютера и сменные адаптеры для каждого семейства микроконтроллеров. Однако если предполагается программировать только определённый тип микросхем, например, АT90S1200 и AT90S2313, то можно воспользоваться упрощённым адаптером для СОМ-порта (рис.4)

Данные для программирования программной памяти микроконтроллера и ОЗУ лежат в файле прошивки.

Для тех, кому лень (вроде меня), есть еще более упрощенная схема (упрощенней уже некуда)

Лично сам собирал этот программатор:) Программировал вот этой программой. В настройках нужно выставить низкую скорость интерфейса, иначе не прошивается flash. Кстати, при нажатии на кнопку Scheme вывалится схема программатора, так сказать, в общем виде.

Об использовании синтезатора

При эксплуатации синтезатора для уменьшения паразитных наводок, снижающих качество сигнала, его необходимо помещать в экранированный отсек. Более того, микроконтроллер синтезатора тоже боится наводок, а особенно статического напряжения (затирается EEPROM и можно потом долго недоумевать, почему синтезатор генерирует непонятно что или не происходит захват частоты). Поэтому не стоит касаться выводов контроллера, особенно при работе устройства.

Конструкция, предложенная автором, (расположение микроконтроллера, микросхемы синтезатора и ГУНа на одной плате) не всегда оказывается удобной.

По необходимости можно микросхему синтезатора и ГУН расположить на отдельной плате, также применить другую схему ГУНа. Изменять программу прошивки микроконтроллера при этом не нужно.

Update

Вышеперечисленные недостатки (cтирание EEPROM) лечатся заменой микроконтроллера на более современный – ATTINY2313. При этом из схемы исключается супервизор DA1, т.к. достаточно внутреннего порогового детектора. Также не устанавливается конденсатор С1 – микроконтроллер работает от внутреннего RC тактового генератора. Прошивка естественно другая, коих существует несколько вариантов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector