РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ НА ПЛИС ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ФУРЬЕ-РАДИОСПЕКТРОМЕТРА ЯКР

Самила А.П.

Кандидат технических наук, Черновицкий национальный университетимени Юрия Федьковича, Украина

РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ НА ПЛИС ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ФУРЬЕ-РАДИОСПЕКТРОМЕТРА ЯКР

Аннотация

Разработан синтезатор частот на программируемой логической интегральной схеме с использованием метода прямого цифрового синтеза сигналов. Устройство испытывалось в составе формирователя последовательностей импульсов возбуждения сигнала спиновой индукции импульсного Фурье-радиоспектрометра ядерного квадрупольного резонанса.  Диапазон рабочих частот составляет 1÷50 МГц а минимальная длительность формируемого радиоимпульса – 100 нс.

Ключевые слова: прямой цифровой синтез, ПЛИС, спектрометр ЯКР.

Samila A.P.

PhD in Engineering, Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Ukraine

DEVELOPMENT OF DIGITAL FREQUENCY SYNTHESIZER PLD BASED FOR NQR PULSE FOURIER SPECTROMETER

Abstract

Frequency synthesizer designed for programmable logic device using the direct digital synthesis signal. The device was tested as a part of sequencer for pulse Fourier spectrometer of nuclear quadrupole resonance. Operating frequency range is 1 ÷ 50 MHz and the minimum duration of the formed pulse - 100 ns.

Keywords: direct digital synthesis, PLD, NQR spectrometer.

Формирование высокочастотных колебаний на основе метода прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesizers или DDS) в последнее время находит широкое применения в радиоэлектронных устройствах и системах телекоммуникаций [1,2]. Прямой цифровой синтез – относительно новый метод синтеза частоты, появившийся в начале 70-х годов прошлого века. Однако, только в последнее время DDS уделяется пристальное внимание, что обусловлено повышением степени интеграции цифровых устройств позволяющее значительно снизить времена задержки прохождения сигналов. Объединение в одном чипе быстродействующего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и DDS позволило получить весьма заманчивую альтернативу обычным синтезаторам на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Интегральные однокристальные синтезаторы частоты (Complete DDS) широко используются в качестве источников колебаний несущих частот при разработке портативных систем связи, лабораторного и учебного оборудования. Кроме того, заслуживают внимания генераторы с числовым управлением без встроенного ЦАП – Numerically Controlled Oscillator (NCO), которые предназначены для построения высокоскоростных синтезаторов частоты (информационное вещание, медицинское оборудование, научно-исследовательские лаборатории, и др.).

Предлагаемое разработчиками оборудование формирования импульсов возбуждения ядерной спиновой индукции для ядерных резонансных и релаксационных исследований обладает рядом недостатков. В частности, большинство из них исполнены в виде плат расширения персонального компьютера и требуют написания специализированного программного обеспечения, что накладывает ограничения на их мобильность [3]. Кроме того, в силу своей широкой функциональности, и соответственно, высокой цены такие устройства зачастую недоступны для большинства научных лабораторий.

В данной работе предложен  цифровой синтезатор частот для импульсного Фурье-радиоспектрометра ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) с диапазоном 1÷50 МГц, который обеспечивает возможность работать с частотами наиболее актуальных с точки зрения исследований ядер изотопов ¹⁴N, ³⁵Cl ⁶³Cu, ⁶⁹Ga, ⁷¹Ga, ¹¹³In, ¹¹⁵In и др.

Структура предложенного синтезатора включает генератор с числовым управлением, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), ЦАП и систему управления. В основе предложенной разработки лежит программированная логическая интегральная микросхема (ПЛИС) EP1C6Q240C8 [4] от фирмы Altera, использование которой позволило создать не только несущее колебание со строго заданной частотой и начальной фазой, но и гибкую систему формирования когерентных импульсов возбуждения сигналов ЯКР.

Рис. 1 - Цифровая часть синтезатора на основе ПЛИС

Цифровая часть синтезатора изображенного на рис. 1 построена средствами моделирования и разработки для сверхбольших интегральных схем и систем-на-кристалле от Altera [5]. Основой устройства является 48-битный аккумулятор фазы «altaccumulate0», формирующий линейно изменяющуюся последовательность кодов мгновенной фазы сигнала. Расчет табличных значений одного периода гармонического колебания, изменяющегося по закону y=sinx осуществлен в программной среде Origin Pro v8 [6] (рис. 2). Период колебания разбиваем на 2¹⁰ 8-битных отсчетов. Циклически повторяющиеся значения отсчетов выходного сигнала, записанные в таблицу ПЗУ «DDS_rom» реализуют формирование выходного сигнала DDS в виде периодической функции y(t)=A·sin(2πf·t+φ).

Модуль «PLL1» является программированной системой ФАПЧ, использование которой позволяет обеспечить формирование колебаний с частотой f_clk=250 МГц при использовании внешнего тактового генератора работающего на частоте 50 МГц. Модули «phase_mux», «phase_adder» и «phase_reg» служат для осуществления двоичной фазовой манипуляции несущей частоты виходного сигнала DDS. Умножитель «mult 1» обеспечивает возможность ввода входного кода частоты непосредственно в виде числовой константы соответствующей предполагаемому числовому значению генерируемой частоты. Он умножает входной код частоты K₁ на константу К₂=11258999 задающую шаг перестройки синтезатора равный Δf=10 Гц.

Рис. 2 - Окно симуляции Waveform simcurve

Зависимость частоты сигнала f_out на выходе генератора с числовым управлением зависит от опорной тактовой частоты f_clk, разрядности аккумулятора фазы M и кода частоты К определяется следующим выражением [2]:

         (1)

При этом шаг перестройки частоты не зависит от ее значения и равен:

              (2)

В нашем случае рабочая частота накапливающего сумматора разрядностью М=48 бит равна f_clk=250 МГц. Таким образом, шаг перестройки частоты будет составлять Δf_out≈1×10^-6 Гц. Следовательно, для формирования сигнала с частотой f_out на вход «Fr_ctrl30[23..0]» синтезатора необходимо подать 24-битный код частоты, который рассчитывают с выражения:

          (3)

Умножитель «AM_MUX» обеспечивает возможность регулировки амплитуды выходного сигнала DDS. Кодовое слово регулировки амплитуды разрядностью 8 бит подается на порт «Amp_ctrl[7..0]». Фазовая манипуляция осуществляется через порт «Fin_ctrl».

Цифро-аналоговое преобразование выходного сигнала осуществляется внешним ЦАП AD9708 с дальнейшей фильтрацией аналоговым ФНЧ. Согласование выходного сопротивления синтезатора с внешними устройствами осуществляется с использованием операционного усилителя MAX4450 с полосой пропускания 55 МГц при неравномерности АЧХ ±0,1 дБ и Rail-to-Rail выходом. Спектры выходного сигнала синтезатора для крайних частот рабочего диапазона приведены на рис. 3, а осциллограмма выходного напряжения на рис. 4, а.

Рис. 3 - Спектры выходного сигнала DDS: а - частота 1 МГц, б – частота 50 МГц

Предложенный синтезатор частот испытывался в составе формирователя последовательностей импульсов возбуждения сигнала спиновой индукции (ССИ). Отметим, что синтезатор и формирователь разработаны на одной ПЛИС, что обеспечивает минимальные задержки прохождения сигнала и соответственно возможность формирования последовательностей коротких радиоимпульсов (рис. 4, б). Значение длительности импульсов и паузы могут принимать заданные значения  в диапазоне 0,1÷12 мкс и 0,1 мкс÷1 с соответственно.

Рис. 4 - Осциллограммы выходных сигналов DDS: а - непрерывная генерация (частота 50 МГц), б - работа в составе формирователя последовательности импульсов возбуждения ССИ (частота несущей 26,006 МГц)

Исследования показали, что параметры использованной ПЛИС не позволяют получить тактовые частоты для ЦАП более 250 МГц. Для работы на более высоких частотах рассматривается разработка устройства на основе чипа семейства Altera Cyclone® V или Altera Stratix®. Это обеспечит возможность использовать цифро-аналоговые преобразователи со скоростью преобразования более 1 Гвыб/с.