Цифроуправляемые умножители частоты: основы теории, математические модели, исследование, разработка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Вахитов, Расуль Радулович

• Вахитов, Расуль Радулович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вахитов, Расуль Радулович

Перечень условных обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава первая. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ

УМНОЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ.

1.1. Общие сведения об умножителях частоты.

1.2. Типы умножителей и способы умножения частоты.

1.2.1. Аналоговые умножители частоты.

1.2.2. Цифровые умножители частоты.

1.3. Применение умножителей частоты.

Выводы по первой главе и постановка задач исследования.

Глава вторая. ЦИФРОУПРАВЛЯЕМЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЦАП.

2.1. Способ широкополосного умножения частоты и его математическая модель.

2.2. Функциональная схема умножителя частоты.

2.3. Функционирование умножителя частоты.

2.4. Расчет умножителя частоты для получения заданных гармоник

2.5. Принципиальная схема умножителя частоты.

Выводы по второй главе.

Глава третья. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СПОСОБА ЦИФРОУПРАВЛЯЕМОГО УМНОЖЕНИЯ

ЧАСТОТЫ.

3.1. Реализация моделей в системе MathCAD.

3.2. Реализация моделей в среде Borland Delphi.

3.3. Оценка спектрального состава выходного сигнала.

Выводы по третьей главе.

Глава четвертая. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ

4.1. Функциональная и принципиальная схема устройства сопряжения.

4.1.1. Дешифратор адреса.

4.1.2. Шинный формирователь.

4.1.3. Регистр хранения.

4.2. Описание работы устройства сопряжения.

4.2.1. Краткое описание стандарта шины IBM PC/XT (ATA).

4.2.2. Временные диаграммы работы интерфейса.

4.2.3. Команды вывода и время задержки цифрового сигнала.

4.3. Виды погрешностей при преобразовании сигналов.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифроуправляемые умножители частоты: основы теории, математические модели, исследование, разработка»

Широкое применение в современных средствах связи, в системах обработки информации, компьютерных технологиях нашли АЦП [50], функциональные ЦАП [49], умножители частоты [52], системы ФАПЧ [51] и т.д. Соответствующий выбор передаточной характеристики таких преобразователей позволяет существенно уменьшить количество обрабатываемой и передаваемой информации при сохранении широкого динамического диапазона частот и высоких значений отношения сигнал-шум [1]. Такие преобразователи обладают нелинейностью своих характеристик и относятся к нелинейным системам. В таких системах между входным сигналом и выходной реакцией устанавливается функциональная нелинейная зависимость.

Исследование цепи в умножителе частоты в общем случае -задача весьма сложная в том отношении, что при математическом описании внутреннего состояния системы приходим к решению нелинейных дифференциальных уравнений. Изменения тока при нелинейной характеристике цепи не будут соответствовать закону изменения мгновенных значений подводимого сигнала. В простейшем случае, при подаче на вход цепи гармонического сигнала, ток будет описываться сложной функцией и будет содержать в общем случае постоянную составляющую и составляющие с кратными частотами. Это непосредственно следует из спектрального представления сложного сигнала [2].

Если исследование проводится не численными, а аналитическими методами, то аналитическое задание характеристик передачи умножителя частоты определяется подбором аппроксимирующей функции, которая, будучи достаточно простой, должна отражать все важнейшие особенности экспериментально снятой характеристики. Отсутствие в подавляющем большинстве случаев аналитических выражений для характеристик умножителей частоты или их чрезвычайная сложность записи вынуждают прибегать к тому или иному виду аппроксимации нелинейных характеристик.

Актуальность проблемы. Одной из важных операций, осуществляемых в силовых преобразовательных и быстродействующих устройствах, устройствах информационно-измерительной, вычислительной техники, в радиотехнике, является умножение частоты. К таким устройствам относятся измерительные приборы, генераторы сигналов, радиопередающие и радиолокационные устройства, блоки высокочастотных преобразователей и др. В отечественной и иностранной литературе вопросы получения частоты выходного сигнала, кратной частоте входного сигнала, освещены достаточно широко.

Умножители частоты являются важным звеном многих радиотехнических устройств. Следует отметить, что известные до настоящего времени умножители частоты выполнены на основе аналоговых методов. С внедрением цифровых методов преобразования сигналов и управления функциональными блоками радиотехнических устройств возникает потребность в разработке и создании умножителей частоты, которые могли бы быть интегрированы в цифровые системы с учетом следующих факторов:

- цифровой принцип управления характеристиками преобразования (с коэффициентами умножения частоты и фазы);

- возможность использования в качестве входных сигналов непосредственно цифровых потоков (отсчетных значений), а не аналоговых сигналов.

Таким образом, проблема создания цифроуправляемых умножителей частоты является весьма актуальной задачей.

Перспективы широкого распространения умножителей частоты связаны с расширением полосы частот сигнала в радиотехнике, микропроцессорной и вычислительной технике.

Большой интерес представляет способ умножения частоты, использующий в качестве аппаратного средства функциональные цифро-аналоговые преобразователи. Однако до сих пор не созданы умножители частоты с цифровым управлением, которые удовлетворяли бы современным требованиям. И, следовательно, существует необходимость разработки цифроуправляемых умножителей частоты на современной элементной базе с достаточно высокими техническими и метрологическими характеристиками.

Особое внимание в работе уделено цифроуправляемым умножителям частоты, разработке математической модели, технической реализации способа умножения частоты гармонического сигнала, подвергаемого нелинейному полиномиальному чебышевского типа преобразованию, исследованию его основных метрологических характеристик.

Связь исследования с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательской работы кафедры теоретической и общей электротехники Башкирского государственного аграрного университета и кафедры физической электроники Башкирского государственного университета.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является разработка, теоретическое и экспериментальное исследование цифроуправляемых умножителей частоты, предназначенных для непосредственной работы с цифровыми потоками, развитие теории умножения частоты и фазы в цифровых системах.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен сравнительный анализ существующих способов умножения частоты и типов умножителей, применяемых в современных устройствах умножения частоты, определены закономерности их работы, достоинства и недостатки.

2. Рассмотрены основы теории умножения частоты и предложено научное обоснование способа цифроуправляемого умножения частоты.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определить основные технические характеристики цифроуправляемого умножителя частоты, проведено компьютерное моделирование процесса цифроуправляемого умножения частоты.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования цифроуправляемого умножителя частоты с целью определения его характеристик и параметров функциональных узлов, влияющих на результат воспроизведения выходного сигнала.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Математическая модель и соотношения, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях математического анализа (разложение функций в ряд Тейлора, разложение по обобщенным многочленам Чебышева, представление функций рядом Фурье).

Применялись методы теоретической электротехники, радиотехники и электроники, теории электрических цепей, теории радиотехнических цепей и сигналов. Для создания умножителей частоты применялся способ функционального цифро-аналогового преобразования.

При проектировании основных узлов аппаратной части применялись методы цифровой и вычислительной техники, теории численных методов обработки информации, математического моделирования, вычислительного эксперимента, создания алгоритмов и программного обеспечения для анализа работы цифроуправляемого умножителя частоты.

При разработке программного обеспечения и компьютерного моделирования использовались программные средства Borland Delphi ver. 7.0, Turbo Pascal, Assembler, MathCAD.

На защиту выносятся:

1. Общая концепция построения цифроуправляемых умножителей частоты.

2. Математическая модель цифроуправляемого умножения частоты гармонического сигнала.

3. Функциональная и принципиальная схемы цифроуправляемого умножителя частоты.

4. Результаты теоретических исследований и оценка характеристик при воспроизведении выходного сигнала.

5. Функциональная и принципиальная схемы устройства сопряжения с персональным компьютером.

6. Результаты экспериментальных исследований цифроуправляемого умножителя частоты и анализ его работы.

Научная новизна. Впервые разработан и исследован способ цифроуправляемого умножения частоты, разработана математическая модель цифроуправляемого умножения частоты. На основе компьютерного моделирования (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2006612687) получены зависимости, определяющие требования к стабильности амплитуды входного сигнала и соотношения сигнал/шум. Исследованы основные характеристики, влияющие на характер формирования выходного сигнала.

Разработан цифроуправляемый умножитель частоты и фазы гармонического сигнала (патент РФ на полезную модель № 2006117579) и исследована возможность расширения его динамического диапазона. Получены аналитические выражения для оценки параметров умножителей частоты.

Достоверность. Полученные в диссертационной работе результаты и выводы подтверждаются совпадением теоретических и экспериментальных исследований, актами внедрения в производственный процесс. Достоверность математической модели подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов вычислительных и полученных натурных экспериментов. Результаты работ апробированы на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях.

Практическое значение и реализация работы имеют: - средства расчета способа цифроуправляемого умножения частоты, реализованные на базе компьютерных программ математического моделирования MathCAD и среды программирования Borland Delphi, позволяющие решить задачу моделирования заданной нелинейной характеристики и оптимизировать построение умножителей частоты, управляемых цифровым кодом;

- программно-аппаратные средства обработки сигналов и вывода цифрового кода, моделируемого ПЭВМ гармонического сигнала, на шину данных контроллера IDE;

- цифроуправляемый умножитель частоты, основа которого составляет цепь каскадно включенных ЦАП.

Полученные результаты исследования способа умножения частоты используются в учебном процессе Башкирского государственного аграрного университета, Башкирского государственного университета, а также внедрены в производственный процесс в ООО «Производственно-технологическое управление связи «Башнефть».

Апробация работы. Содержание и основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- LVI-ой научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, посвященной Дню Радио (Москва, РНТОРЭС, 2001 г.);

- Межвузовской конференции «Электротехнические комплексы и системы», посвященной 25-летию кафедры электрооборудования, летательных аппаратов и наземного транспорта УГАТУ (Уфа, УГАТУ, 2001 г.);

- 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2002 г.);

- 5-ой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2003 г.);

- XV-ой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003» (Москва, МГИЭМ, 2003 г.);

- Всероссийской научно-технической конференции

Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, КГТУ, 2004 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 10 печатных работ, из которых 2 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК, в том числе две статьи переведены за рубежом, положительное решение Роспатента на выдачу патента РФ на полезную модель, 1 свидетельство РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Общий объем диссертационной работы составляет 144 страниц машинописного текста, состоит из перечня условных обозначений и сокращений, введения, четырех глав, заключения, содержит 80 иллюстраций, 5 таблиц и 3 приложений. Список литературы содержит 88 единиц наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, выносимые на защиту, указана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан аналитический обзор существующих умножителей частоты и состояния проблемы, методов построения, освещены тенденции развития и использования техники умножения частоты. Показано, что по характеру обрабатываемого сигнала умножители частоты можно разделить на аналоговые и цифровые.

Показано, что применение аналогового или цифрового типов умножителей частоты влияет на технические характеристики устройства и определяет его функциональные возможности. Рассмотрены варианты существующих структурных схем умножителей, принципы их построения, сформулированы требования и поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию и исследованию математической модели умножения частоты, разработке и исследованию способа построения цифроуправляемого умножителя частоты.

Получены выражения для мгновенных значений напряжения выходного сигнала, которые определяются следующими соотношениями: t/,(0 = cos(<y t),

U2(t) = 2cos1 (со 0-1, t/3(0 = 4cos3(<y 0-3 cos(<y t), t/4(0 = 8cos4(<y 0-8cos2(<y 0 + 1

Постоянные коэффициенты, стоящие в системе уравнений, зависят от отношения сопротивления обратной связи к сопротивлению на входе операционного усилителя, т.е. от его коэффициента передачи.

Разработаны способы получения заданных гармоник, приведены и исследованы принципиальные схемы. Проведен расчет схем умножителей частоты для получения заданных гармоник.

Показано, что использование цифроуправляемого умножителя частоты по сравнению с известными позволяет существенно увеличить точность устройства, значительно снизить требования к фильтрам нижних частот или полного их исключения за счет высокой точности чебышевского преобразования, снижения уровня паразитных спектральных составляющих, присутствующих на выходе устройства наряду с полезным сигналом.

Выведены математические выражения, лежащие в основе нового способа.

Исследована корректность допущений, возникающих при составлении данной модели. Необходимым условием работы умножителя частоты является использование умножающих свойств ЦАП при их каскадном включении. Показана возможность построения умножителей частоты, использующих управление цифровым кодом.

Третья глава посвящена анализу и исследованию цифроуправляемого умножения частоты при помощи современных программ компьютерного моделирования MathCAD и среды программирования Borland Delphi.

Компьютерное моделирование базируется на основе созданной математической модели и анализа полученных выражений при описании способа цифроуправляемого умножения частоты. Написана программа, выполняющая три важные задачи.

Первая задача заключается в самом моделировании умножения частоты входного гармонического сигнала и анализе его параметров.

Вторая задача заключается в формировании цифрового кода моделируемого периодического синусоидального сигнала и вывода его на цифровой порт IDE. Решение этой задачи рассмотрено в четвертой главе диссертационной работы.

Третья задача состоит в спектральном анализе полученных результатов выходного сигнала умножителя частоты при разложении его в ряд Фурье, а именно представление в графическом виде амплитудной спектральной диаграммы. На графиках решение представлено в виде спектральной зависимости S(f)

Показаны результаты компьютерного моделирования сигналов, формируемых в цифроуправляемом умножителе частоты, а также спектральный анализ формируемых четырех гармоник методом дискретного преобразования Фурье как при изменении амплитуды входного сигнала, так и при изменении характеристик моделируемого умножителя частоты.

Четвертая глава посвящена рассмотрению одного из вариантов построения устройства сопряжения (УС), принципа работы и анализа его технических характеристик. Данное УС используется для программного вывода десятиразрядного цифрового кода. Разработаны и исследованы функциональная и принципиальная схемы УС, показано их использование для передачи цифрового кода через 16-разрядную шину данных интерфейса IDE ПК.

УС выполняет две важные функции. Первая функция -интерфейсная, обеспечивающая обмен данными. Ко второй функции относится программная, реализующая программный вывод цифрового кода, обеспечивающего работоспособность умножителя частоты.

Показана универсальность устройства сопряжения, которая заключается в применении как для чтения, так и для записи цифрового кода, используя для этого типы интерфейсов персонального компьютера ISA или АТА.

Установлено, что использование ПЭВМ как источника формирования цифрового кода позволило пренебречь погрешностями, которые возникают при использовании АЦП параллельного типа. Сделан анализ возможных погрешностей и их аналитическое исследование, определено их влияние на формирование сигналов управления и сигналов цифрового кода.

В приложениях приведены процедура программного вывода цифрового кода, обеспечивающая функционирование цифроуправляемого умножителя частоты при управлении от персонального компьютера, сведения о внедрении результатов работы в производственный процесс, листинг программы «BMF ver. 3.0».

Результатами диссертационной работы явилось проведение теоретических и экспериментальных исследований цифроуправляемого умножителя частоты. Выполнение этого главного пункта диссертационной работы стало возможным благодаря технической и научной поддержке, оказанной при проведении работ научным руководителем д.т.н., профессором Сапельниковым В.М.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность за постоянное внимание, ценные замечания и технические советы по выполнению диссертационной работы научному консультанту д.ф.-м.н., профессору Гоцу Сергею

Степановичу, научному руководителю - Академику Метрологической Академии РФ, д.т.н., профессору Сапельникову Валерию Михайловичу.

17

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Вахитов, Расуль Радулович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Проведен анализ современного состояния техники умножения частоты и ее реализации при решении научных и практических задач. При анализе существующих методов и способов умножения частоты выявлены достоинства и недостатки умножителей частоты, показана необходимость разработки цифроуправляемых умножителей частоты, которые могли бы быть интегрированы в цифровые системы.

2. Разработана и исследована математическая модель, являющаяся основным аналитическим и математическим описанием способа цифроуправляемого умножения частоты.

3. Предложен и разработан цифроуправляемый умножитель частоты, проанализированы и исследованы его технические характеристики и возможности их реализации. Предложены способы оптимизации схемотехнических решений получения гармоник при увеличении количества ЦАП.

Новизна и оригинальность подтверждена патентом РФ на полезную модель №2006117579.

4. Разработана и предложена программа компьютерного моделирования цифроуправляемого умножения частоты гармонического сигнала. Использование современных средств моделирования позволило установить критерии качества результирующего сигнала, как в условиях воздействия помех, так и без помех. Установлены требования, предъявляемые к амплитуде входного сигнала, изменение которой влияет на качество выходного сигнала, предъявляемые к отношению «сигнал-шум». Проведен расчет спектрального состава выходного сигнала на основе математической модели цифроуправляемого умножителя частоты.

Новизна и оригинальность программы подтверждена свидетельством РФ об официальной регистрации программ №2006612687.

Таким образом, достигнута поставленная цель и решены задачи, связанные с разработкой и исследованием теории цифроуправляемого умножения частоты имеющая научную и практическую значимость.

138

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вахитов, Расуль Радулович, 2006 год

1. Теория электрической связи. / А.Г. Зюко и др. Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 1998. - 438 с.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. -М.: Высш. школа., 1983. 536 с.

3. Гоц С.С., Сапельников В.М., Вахитов P.P. Метод широкополосного умножения частоты // Труды LVI-ой сессии, посвященной Дню Радио. М.: РНТОРЭС им. А.С. Попова, 2001.- С.116-119.

4. Гоц С.С., Сапельников В.М., Вахитов P.P. Умножитель частоты. Электротехнические комплексы и системы. Межвузовский научный сборник. Уфа, УГАТУ, 2001. С. 103 — 107.

5. Келехсаев Б.Г. Нелинейные преобразователи и их применение: Справочник. М.: «Солон»., 1999. - 304 с.8. http://www.technoleader.narod.ru/nametem/radio.htm

6. Круг К.А. Основы электротехники. Четвертое перераб. изд. -М.: ОНТИ, 1936, стр. 604-605.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: «Высшая школа», 1961. - 782 с.

8. Патент РФ № 2186454 Способ широкополосного умножения частоты и устройство для его осуществления / Гоц С.С., Сапельников В.М. Опубл. в БИ 2002. - № 21.12. http://atm563.phys.msu.ru/Ilyushin/umnozh/UMNOZH3.htm

9. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимации нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. М.:Советское радио, 1965. 344 с.

10. Волков Е.А. О гармоническом анализе цепей, содержащих нелинейные элементы с экспоненциальной характеристикой. Радиотехника, т.24 вып 6, 1969. С.51-57.

11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов : Пер. с англ. В 2-хх тт. М.: Мир, 1984.

12. S.M.Sze Physics of semiconductor devices New York, Wiley, 1969.

13. Федорюк M.B. Асимптотика. Интегралы и ряды. М.:Наука, 1987. 544 с.17. 2-я Междунар. конференция. Цифровая обработка сигналов и ее применения. Доклады. Том II. 21-24 сент-я., М.: 1999. С. 333-338.

14. Олвер Ф. Асимптотика и специальные функции. Пер. с англ. М.:Наука, 1990. 528 с.

15. Olver F.W.J. Asymptotics and Special Functions. N.Y., L.: Acad.Press., 1974. - 584 p.19. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/199908/p55.html

16. Банников В. Цифровой умножитель частоты. Радио, N 1, 1999. С. 49.

17. Rao B.V. A method for frequency multiplication of square waves/ Int. J. Electronics. №6, 1976. P. 587.

18. Умножитель частоты. "Хобби-электроника 1", сборник -София, "ЕКОПРОГРЕС", 1992.23. http://www.diagram.com.ua/list/umnf.shtml24. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/199901/p49.html

19. Журнал "Радио", № 1, 1999г. Автор: В. Банников, г. Москва

20. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. -М.: Высш. школа., 1983 . 536 с.27