СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 6/2016

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2016 АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты Рис. 1. Корпус микросхемы 5503ХМ1У 651 В статье описывается новый тип АЦП – АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты (АЦП с ФАПЧ). Описывается функциональная структура разработанного устройства. Даётся представление об особенностях эксплуатации АЦП с ФАПЧ. Михаил Сизов (Москва) В ВЕДЕНИЕ В настоящее время разработка элек- тронных устройств без микроконтрол- леров (МК) и аналого-цифровых пре- образователей (АЦП) невозможна. АЦП, входящие в МК, иногда не удов- летворяют требованиям по точности и шумам. В связи с этим предлагает- ся новый тип АЦП – АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты, которого нет в принятой в учебной литературе классификации АЦП. В Интернете легко найти описание это- го устройства, если набрать в поиско- вике «АЦП с ФАПЧ». Среди найденных материалов будет, например, статья «Преобразователь напряжения в дли- тельность импульса, стабилизирован- ный ФАПЧ» [1] и другие публикации. Возможности АЦП с ФАПЧ проверены и представлены в таблице 1. Результаты испытаний, опублико- ванные в 2012 г., получены на макете АЦП с ФАПЧ, в котором использовались стандартные логические микросхемы, операционный усилитель (ОУ) и 8-раз- рядный микропроцессор «ATmega16». В 2015 г. была изготовлена и испыта- на в составе 2-канального АЦП микро- схема 2-канального ФАПЧ (БМК серии 5503), изготовитель НПК «Технологи- ческий центр» г. Зеленоград. Задание в виде принципиальной электриче- ской схемы ФАПЧ было выдано Науч- но-производственным подразделени- ем «ДОЗОР». На рисунке 1 показан кор- пус микросхемы. Один такой корпус заменяет более 30 корпусов стандартных логических элементов, которые входят в состав ФАПЧ и служат для построения его компонентов: ФД – фазовый детектор; ГУН – генератор, управляемый напря- жением; четырёхразрядный счёт- чик-делитель, который включает- ся между выходом ГУН и входом ФД. Счётчик делит выходную частоту ГУН на 16, тем самым он усредняет шумы ГУНа, в результате чего умень- шаются шумы АЦП. В новой версии БМК 5503ХМ1У-6хх в состав ФАПЧ будут входить операционные усилите- ли, такая микросхема (в томже корпусе) должна появиться в этом году. В насто- ящее время на предприятии изготав- ливают для летающей лаборатории 15-канальную систему сбора инфор- мации на базе 32-разрядного микро- контроллера 1986ВЕ1Т и АЦП с ФАПЧ. О ПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЦП С ФАПЧ В предлагаемом устройстве исполь- зуется промежуточное преобразо- вание аналогового сигнала (напря- жения) в длительность импульса с помощью контура ФАПЧ [1]. Под- робные описания принципа рабо- ты ФАПЧ можно найти в Интерне- те [2, 3]. Ближайшим прототипом АЦП с ФАПЧ по составу является синтеза- тор, который позволяет получить сетку стабильных частот. Одним из применений синтезаторов является использование их в качестве опор- ных генераторов в преобразователях частоты и в электронных музыкаль- ных инструментах. На рисунках 2 и 3 показаны функ- циональные схемы синтезатора и АЦП с ФАПЧ, соответственно. Предлагаемая схема АЦП с ФАПЧ содержит элементы синтезатора, но в другом включении, и дополнитель- ные элементы (на схеме обведены пунк- тиром): ● источник опорного напряжения – обязательный элемент АЦП, ампли- туда выходных импульсов ФД равна опорному напряжению (U p ), а дли- тельность импульсов Т х равна фазо- вому сдвигу между сигналами F 1 и F 0 ; ● фильтр низкой частоты (ФНЧ) выполнен по схеме пропорциональ- но-интегрирующего (ПИ) фильтра с дополнительным входом для под- ключения внешнего сигнала (U x ), который будет преобразован снача- ла в длительность импульса, а потом – в двоичный код; ● ПИ-фильтр делает систему ФАПЧ астатической, т.е. установившее- ся, среднее значение напряжения выходного сигнала ФД (U ФД ) и вход- ного сигнала U x всегда равны. За счёт интегратора и отрицательной обратной связи напряжение на вхо- де ГУН поддерживается таким, чтобы частоты сигналов F 1 и F 0 были рав- ными, а фазовый сдвиг T x между сиг- налами F 1 и F 0 определяется выра- жением: T x = T 1 × U x / U p , где T 1 – период частоты F 1 , U x – вход- ное напряжение, U p – опорное напря- жение АЦП; ● ОЗУ хранит текущее значение двоич- ного кода, запись кода производится в момент переднего фронта импуль- са сигнала F 0 ; ● Фазовый детектор (ФД) импульсно- го типа выполнен на логических эле- Таблица 1. Варианты АЦП с ФАПЧ Полоса пропускания АЦП, Гц Число разрядов АЦП Частота преобразования, Гц Максимальное значение кода АЦП 2 24 10 14 000 000 10 22 50 2 800 000 20 21 100 1 400 000 80 19 400 350 000 200 18 1000 140 000 800 16 4000 35000