Mikrowellen-Laborsynthesizer. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik

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Das Problem der Frequenzstabilität in Transceivern gab es schon immer. Bei relativ niedrigen Frequenzen (bis zu 100-150 MHz) wurde es mit Quarzresonatoren gelöst, bei höheren Frequenzen (400 MHz) mit Oberflächenwellenresonatoren (SAW-Resonatoren), während dielektrische Resonatoren mit hohem Q häufig zur Stabilisierung verwendet werden Ultrahohe Frequenzen, Keramik oder andere hochwertige Resonatoren [1].

Die beschriebenen Stabilisierungsmethoden mit Hilfe passiver Komponenten haben ihre Vorteile – Einfachheit und relativ geringe Implementierungskosten, ihr Hauptnachteil ist jedoch die Unmöglichkeit einer signifikanten Frequenzabstimmung ohne Änderung des frequenzeinstellenden Elements – des Resonators. Die Unmöglichkeit einer schnellen elektronischen Abstimmung der Betriebsfrequenz bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer Stabilität schränkt den Einsatz von Funkgeräten stark ein und ermöglicht beispielsweise nicht die Implementierung von Mehrkanalgeräten.

Die inzwischen weit verbreiteten integrierten Frequenzsynthesizer verschiedener ausländischer Unternehmen ermöglichen eine schnelle elektronische Abstimmung der Arbeitsfrequenz, einschließlich Ultrahoch, bei gleichzeitig hoher Stabilität. Solche Frequenzsynthesizer sind vom direkten und indirekten Typ [2]. Zu den Vorteilen der Direktsynthese gehört eine hohe Geschwindigkeit mit einem kleinen Frequenzrasterschritt, aber aufgrund der Notwendigkeit, eine große Anzahl von Spektralkomponenten zu filtern, die durch zahlreiche nichtlineare Signaltransformationen verursacht werden, werden Direktsynthesegeräte selten in Mikrowellenschaltungen verwendet [3]. Für die Synthese von Mikrowellenfrequenzen werden üblicherweise Synthesizer vom indirekten Typ oder Synthesizer mit Phasenregelkreis (PLL) verwendet.

Es gibt zwei Haupttypen integrierter PLL-Synthesizer: programmierbare, bei denen die Frequenzwerte von einem externen Mikrocontroller über einen Dreidrahtbus eingestellt werden, und nicht programmierbare, bei denen die Teilungskoeffizienten der internen Frequenzteiler fest sind, und Die Referenzfrequenz wird durch einen externen Quarzresonator eingestellt. In einfachen Mikrowellenschaltungen werden üblicherweise nicht programmierbare integrierte Synthesizer verwendet, beispielsweise MC12179 von Motorola [4]. Zu den Nachteilen gehört die Notwendigkeit einer genauen Auswahl eines Quarzresonators, was nicht immer möglich ist. Programmierbare Frequenzsynthesizer wie der UMA1020M von Philips haben diesen Nachteil nicht und da moderne Kommunikationssysteme immer über einen Steuermikrocontroller verfügen, ist es technisch einfach, einen solchen Synthesizer zu programmieren. Selbstoszillatoren im Mikrowellenbereich werden als funktionsfähige Module in Hybridtechnik eingesetzt [5].

Ein Beispiel für die Anwendung der beschriebenen Lösungen ist ein einfacher Labor-Mikrowellensynthesizer, der die Erzeugung und Stabilisierung der Frequenz im Bereich von 1900 - 2275 MHz mit hoher Genauigkeit ermöglicht, wie in diesem Artikel vorgeschlagen.

Das Blockdiagramm des entworfenen Synthesizers ist in Abb. dargestellt. 1., Aussehen - in Abb.2. Wie Sie den Diagrammen entnehmen können, besteht der Synthesizer aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO oder VCO) JTOS-2200 von Mini-Circuits JTOS-2200, einem integrierten Frequenzsynthesizer UMA-1020M und einem Mikrocontroller Z86E0208PSC von Zilog.

Das vom VCO erzeugte Mikrowellensignal wird dem Ausgang des Laborsynthesizers und dem Eingang des programmierbaren Hauptfrequenzteilers zugeführt, der in der UMA-1020M-Schaltung enthalten ist.

Das vom JCO-8-Quarzoszillator erzeugte Referenzsignal wird einem zusätzlichen programmierbaren Frequenzteiler zugeführt, der ebenfalls in der UMA-1020M-Schaltung enthalten ist. Das Strukturdiagramm des UMA-1020M ist in Abb. dargestellt. 3, eine ausführliche technische Dokumentation zum UMA-1020M finden Sie auf der Website des Herstellers philips.de/. Die Koeffizienten beider Teiler – Haupt- und Hilfsteiler – werden vom Z86E0208PSC-Mikrocontroller auf einem dreiadrigen Bus (DATA-Daten, CLK-Takt und Schreibfreigabe/ENABLE) eingestellt. Das Blockdiagramm des Z86E0208PSC-Mikrocontrollers ist in Abb. 4 dargestellt. XNUMX. Der interne ROM des Mikrocontrollers reicht für die Programmierung von sieben verschiedenen Frequenzen und einem Testmodus. Bestimmte Frequenzwerte (oder Testmodus) werden durch Jumper auf der Leiterplatte des Laborsynthesizers eingestellt.

Bevor der nächste Frequenzwert in den integrierten Synthesizer geladen wird, fragt der Mikrocontroller den mit den Jumpern verbundenen Port ab und wählt entsprechend den empfangenen Daten die eine oder andere Firmware aus. Der neue Frequenzwert wird automatisch eingestellt, wenn die Synthesizer-Karte eingeschaltet wird. Der Synthesizer-Programmieralgorithmus für den Z86E0208PSC-Mikrocontroller ist in Abb. dargestellt. 5, die Auflistung des Programms finden Sie unterinstitute-rt.ru/common/statyi/zsynt/prog.html.

Weitere Details zur Programmierung von Mikrocontrollern von Zilog finden Sie in [6, 7], die vollständige technische Dokumentation ist unter zilog.com verfügbar.

Ein Merkmal des verwendeten JTOS-2200 VCO ist der Abstimmspannungsbereich: von 0.5 bis 5 Volt. Das heißt, wenn der Wert der Abstimmspannung kleiner als 0.5 Volt ist, garantiert der Hersteller keine stabile Schwingungserzeugung. Die durchgeführten Experimente haben die Richtigkeit dieser Aussage gezeigt.

Das Funktionsprinzip der PLL sowie die Methodik zur Berechnung des Rückkopplungsfilters (Loop-Filter) werden in der Fachliteratur [8] recht häufig und wiederholt berücksichtigt, daher wird dieser Artikel nicht berücksichtigt. Zur Berechnung von Rückkopplungsfiltern stehen mehrere kostenlose Programme zur Verfügung, die online unter analog.com oder national.com zu finden sind.

Um den korrekten Betrieb der Synthesizerschaltung zu kontrollieren, ist auf der Platine eine LED installiert, deren Leuchten einen Fehler in der Frequenzsynthese anzeigt. Wenn der Synthesizer korrekt arbeitet, sollte die LED nicht leuchten, aber diese Funktion kann per Software deaktiviert werden.

Der Selbstkostenpreis des zusammengebauten Laborsynthesizers übersteigt nicht 30 $. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kosten des vorgeschlagenen Geräts zu senken: Erstens können Sie die Quarzquelle der Referenzoszillationen des Synthesizers und des Mikrocontrollers kombinieren, wobei Sie daran denken müssen, dass die maximale Taktfrequenz des Z86E0208PSC 8 MHz beträgt, während für das UMA- 1020M kann es innerhalb von 5-40 MHz liegen. Zweitens können VCOs unabhängig auf Transistoren oder verstärkenden integrierten Schaltungen unter Verwendung der in [9, 10] angegebenen Technik entwickelt werden.

Literatur

1. Dielektrische Resonatoren / M.E. Ilchenko, V.F. Vzyatyshev, L.G. Gassanov und andere; Ed. MICH. Iltschenko. - M.: Radio und Kommunikation, 1989. - 328 S.: Abb. - ISBN 5-256-00217-1.
2. Pestrjakow A.V. Integrierte Schaltkreise für Frequenzsynthese- und Stabilisierungsgeräte// Chip News. - 1996. - Nr. 2.
3. Lobov V., Steshenko V., Shakhtarin B. Digitale Synthesizer der direkten Frequenzsynthese// Chip News. - 1997. - Nr. 1.
4. Drahtlose Halbleiterlösungen. Motorola. Gerätedaten - Vol.1. DL 110/D, Ausgabe 9.
5. VCO Designer's Handbook 2001. VCO/HB-01. Mini-Schaltungen.
6. Gladshtein M.A. Mikrocontroller der Z86-Familie von Zilog. Programmierhandbuch. - M.: DODEKA, 1999, 96 S.
7. Das Z8 Application Note Handbuch. Zilog. DB97Z8X0101.
8. Starikov O. PLL-Methode und Prinzipien der Synthese hochfrequenter Signale//Chip News. - 2001. - Nr. 6.
9. Mikrowellen-Oszillator-Design. Anwendungshinweis A008// Hewlett-Packard Co. - Veröffentlichungsnummer 5968-3628E (6/99)
10. Shveshkeyev P. Ein VCO-Design für WLAN-Anwendungen im 2.4- bis 2.5-GHz-ISM-Band // Angewandte Mikrowelle und Wireless. - 2000. - Nr. 6. - S.100-115.

Autoren: N. A. Shturkin, I. V. Malygin; Veröffentlichung: cxem.net

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