Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Relpol
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału

ghost666 21 Paź 2014 16:25 2769 0
  • Dawniej najtrudniejszą częścią projektu generatora funkcyjnego była realizacja stopnia wyjściowego. Typowy generator sygnału oferuje wyjście o szerokim zakresie amplitud, od 25 mV do 5 V. Aby sterować obciążeniem o impedancji 50 Ω, tradycyjne generatory wykorzystują rozwiązania dyskretne, równolegle połączone ze sobą układy scalone lub dedykowane rozwiązania typu układów ASIC. Wymaga to od projektanta spędzenia niezliczonej ilości czasu nad stworzeniem stabilnego układu wyjściowego o wysokich parametrach z szerokim zakresem programowalnych amplitud wyjściowych. Teraz, dzięki postępom technologii urządzeń półprzewodnikowych dostępne są wzmacniacze scalone, które są w stanie sterować takim obciążeniem, dzięki czemu zmniejszają one stopień skomplikowania stopnia wyjściowego generatora, zmniejszając koszty układu i czas potrzebny na stworzenie i komercjalizację urządzenia.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Model typowego generatora sygnałowego


    Przy wykorzystaniu scalonych generatorów nowej generacji wystarczy jedynie wprowadzić częstotliwość, nacisnąć przycisk a urządzenie samo produkuje żądany przebieg. Następnie wprowadza się wartość mocy wyjściowej, naciska kolejny przycisk. Usłyszeć można przełączanie przekaźników, dopasowujące wyjściowe napięcie do zadanej mocy. Nieciągłe działanie generatora jest niestety wymagane, aby dostosować poziom wyjścia z uwagi na brak układów pozwalających zapewnić szerszy zakres wyjść. Poniższy artykuł omawia w jaki sposób proponowana tutaj architektura pozwala znaleźć rozwiązanie tego problemu.

    Dwoma kluczowymi elementami, potrzebnymi do stworzenia opisywanego front-endu, są wysokiej jakości stopień wyjściowy, zapewniający wysoką prędkość, wysokie napięcie i duży prąd wyjściowy oraz wzmacniacz o sterowanym napięciowo wzmocnieniu, który charakteryzuje się wysoką liniowością strojenia wzmocnienia. Celem opisywanego projektu jest stworzenie systemu, który mógłby generować przebieg o częstotliwości do 20 MHz przy napięciu wyjściowym do 22,4 V, co oznacza +39 dBm dla obciążenia 50 Ω.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału




    Mniejszy i prostszy stopień wyjściowy generatora sygnałowego


    Nowy, kompaktowy stopień wyjściowy

    Sygnał w generatorze może pochodzić z układu takiego jak konwerter cyfrowo-analogowy (DAC), jeśli mamy do czynienia z bardziej skomplikowanym sygnałem lub z cyfrowego syntezatora DDC, jeśli interesuje nas tylko przebieg sinusoidalny. W obu przypadkach regulacja mocy wyjściowej jest daleka od idealnej. Pierwszym stopniem powinien być układ zapewniający możliwość tłumienia lub zwiększania amplitudy sygnału korzystając z układu VGA (Variable gain amplifier, Wzmcniacz o regulowanym wzmocnieniu). Problemem jest jednakże fakt iż większość układów VGA oferuje ograniczony zakres wzmocnień i rzadko, kiedy zakres ten jest dostateczny, aby być użytecznym w opisywanej tutaj aplikacji.

    Jeśli VGA skonfigurowany jest tak, aby na jego wyjściu było docelowe napięcie, wtedy niezależnie jakie jest wejście, wyjście osiągnie zaprogramowaną amplitudę. Na przykład jeżeli zadamy w układzie amplitudę wyjściową równą 2 V, a wzmocnienie stopnia mocy w wzmacniaczu wyjściowym wynosi 10 V/V, to amplituda za VGA powinna wynosić 0,2 V. Jeśli stopień wyjściowy generatora został poprawnie zaprojektowany amplituda wyjściowa jest zależna od amplitudy na wyjściu VGA. Niestety stopień ten jest najczęstszym problemem w tego typu projektach z uwagi na ograniczony zakres zmian wzmocnienia VGA.

    Typowy generator sygnałowy wysokiej jakości powinien oferować zakres amplitud wyjściowych od 25 mV do 5 V. Oznacza to zakres 46 dB, który przekracza możliwości większości dostępnych komercyjnie układów VGA. Nowy wzmacniacz produkcji Analog Devices - AD8330 - jest pierwszym układem tego typu, który oferuje zakres 50 dB zmian wzmocnienia, jednakże jego następca AD8338 podnosi poprzeczkę jeszcze wyżej, zmniejszając zużycie mocy i zwiększając zakres wzmocnień aż do 80 dB. W idealnych warunkach amplituda wyjściowa klasycznego generatora sygnałowego wynosić może od 0,5 mV do 5 V bez wykorzystania przekaźników i innych podobnych układów. Oznacza to, iż wykorzystanie opisywanych układów pozwala na przełączanie amplitud wyjściowych bez przerywania pracy generatora. Dodatkową korzyścią eliminacji przekaźników z układu jest wydłużenie czasu jego bezawaryjnej pracy.

    Dzisiejsze przetworniki DAC i układy DDS często wyposażone są w wyjście różnicowe, co wymusza na projektantach tych układów stosowania transformatorów, tracenia połowy sygnału lub też stosowania konwerterów sygnału różnicowego na niesymetryczny. Układ AD8338 jest w naturalny sposób dopasowany do tego stanu rzeczy, gdyż wyposażony jest w wejście w pełni różnicowe, jak pokazano poniżej. Przetwornik DAC można zastąpić tutaj zwykłym układem DDS.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Przykład podłączenia przetwornika DAC do układu AD8338


    Główną cechą charakteryzującą wejście układu AD8338 jest elastyczność. Jako VGA układ ten zmienia prąd wejściowy, korzystając z topologii wzmacniacza typu H, wynalezionej przez Barriego Gilberta, pracownika Analog Devices. System ten wykorzystuje sprzężenie zwrotne do zbalansowania prądów wejściowych, jednocześnie utrzymując wewnętrzne połączenia na poziomie 1,5 V. W czasie normalnej pracy wykorzystanie opornika wejściowego o rezystancji równej 500 Ω sygnał wejściowy o amplitudzie równej 1,5 V faje 3 mA prądu. Dla większej amplitudy wejściowej, powiedzmy 15 V, potrzebne jest podłączenie opornika o większej rezystancji. Konieczne jest dobranie takiego opornika, aby otrzymać prąd równy właśnie 3 mA.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału(1)


    Asymetryczny sygnał o amplitudzie 15 V dałby na wyjściu różnicowym 1,141 V. W takim przypadku, przy minimalnym wzmocnieniu, układ AD8338 zapewni tłumienie o wartości aż 28,4 dB, zatem maksymalne możliwe wzmocnienie wynosi +51,6 dB. Jako że układ ten należy do układów klasy 'low-power' minimalizującej pobierany prąd z zasilania, jego wyjście ma typową amplitudę 1,5 V dla obciążenia równego 1 kΩ.

    Ogromną zaletą tego układu VGA jest fakt, iż całkowity zakres wzmocnienia może być ulokowany w zupełnie innym punkcie. Po pierwsze trzeba wyznaczyć poziom wyjściowy z układu, który pozwala na maksymalizację sygnału wyjściowego z generatora. Większość generatorów sygnału zapewnia wyjście o mocy maksymalnej 250 mW rms (+24 dBm) dla obciążenia równego 50 Ω (przy fali sinusoidalnej). Moc taka nie jest wystarczająca do pokrycia założonego w projekcie zakresu wyjściowego i będzie zbyt mała dla aplikacji takich jak, na przykład, testowanie wzmacniaczy HF czy sond ultradźwiękowych.

    Postępy w tworzeniu wzmacniaczy z sprzężeniem prądowym (CFA) oznaczają, iż już dłużej nie jest to problemem. Wzmacniacz ADA4870 korzystający z architektury CFA jest w stanie dostarczyć 1 A prądu przy napięciu wyjściowym 17 V i zasilaniu ± 20 V. Dla sygnałów sinusoidalnych może on wzmacniać sygnały o częstotliwości do 23 MHz przy maksymalnym obciążeniu, co czyni z niego idealny driver w analogowym front-endzie generatora sygnałów.

    Dla systemów o impedancji 50 Ω, które czułe są na odbicia sygnału ADA4870 wymaga wykorzystania pewnych dodatkowych elementów pasywnych, pozwalających na dopasowanie impedancji źródła do impedancji obciążenia równej 50 Ω. Potrzebny jest zestaw oporników oraz autotransformator radiowy o przełożeniu 1,5:1. Przy zostawieniu marginesu amplitudy równego 1 V szczytową moc 8 W osiąga się z efektywnym obciążeniem wzmacniacza równym 16 Ω. Z drugiej strony jeśli odbicia sygnału nie są naszym zmartwieniem można zrezygnować z oporników, autotransformator zastąpić takim o przełożeniu 0,77:1. Z tymi zmianami moc wyjściowa systemu wzrasta do 16 W (amplituda równa 28,3 V).

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Podstawowy sposób podłączenia układu ADA4870 przy obciążeniu równym 16 Ω, wzmocnienie = 10


    W celu optymalizacji zakresu wyjściowego układ ADA4870 skonfigurowany jest do pracy przy wzmocnieniu równym 10, zatem wymagana amplituda wejściowa wynosi 1,6 V. ADA4870 ma wejście niesymetryczne, a AD8338 wyjście symetryczne, co oznacza, iż konieczne jest wykorzystanie dodatkowego układu do desymetryzacji sygnału. Jako takowy wybrano AD8130, charakteryzujący się pasmem 270 MHz i prędkością narastania równą 1090 V/µs. Zapewnia to dopasowanie wyjścia różnicowego do asymetrycznego oraz wymagane wzmocnienie. Wyjście układu AD8338 jest ograniczone do ±1 V, zatem AD8130 zapewnić musi dodatkowe wzmocnienie 1,6 V/V. Te trzy układy, wykorzystane razem, pozwalają na stworzenie kompletnego stopnia wyjściowego projektowanego generatora.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Stipień wyjściowy projektowanego generatora


    Dwa ostatnie kroki potrzebne są, aby zaprojektować układ - konfiguracja sieci wejściowej dla zmaksymalizowania sygnału wejściowego i minimalizacji aliasingu oraz zaprojektowanie układu wyjściowego w taki sposób, aby dopasować impedancję elementów.

    Wejście układu AD8338

    W tym projekcie amplituda wyjściowa wzmacniacza różnicowego wyniesie ±1 V. Przy domyślnej konfiguracji układu, wewnętrznym oporniku 500 Ω i maksymalnym wzmocnieniu amplituda wejściowa musi wynosić 100 µV. Dodanie oporników na bezpośrednim wejściu pozwala na skonfigurowanie tej wartości według uznania. Zakres wzmocnień, konfigurowany opornikami, wynosi:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału (2)


    Przy opornikach 40.2-kΩ na wejściach, sygnał jest dobrze zbalansowany, szum wejściowy niski i osiągamy odpowiednie tłumienie sygnału wejściowego. Przy tych ustawieniach VGAIN =1,1 V (maksymalne wzmocnienie), a wzmocnienie:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału (3)


    W tym przypadku różnicowy sygnał wejściowy musi wynosić zaledwie 21 mV. Przy VGAIN = 0,1 V wzmocnienie wynosi z kolei:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału (4)


    Dla tych samych 21 mV sygnału wejściowego wyjście będzie miało amplitudę około 100 µV.

    Konfiguracja taka daje całkowite wzmocnienie układów AD8130 i ADA4870 równe około 24,1 dB. Wyjście drivera ADA4870 może przyjmować amplitudy od 1,6 mV do 16 V. Jeśli dodamy do tego autotransformator i układ oporników opisanych powyżej, napięcia wyjściowe mogą przyjmować zakres od 2 mV do 20 V.

    Podłączenie układu AD8338 do układu takiego jak syntezator DDS wymaga zastosowania układów antyaliasingowych i odpowiedniego tłumienia wejścia. Różnicowe wyjście syntezatora AD9834C wymaga opornika 200 Ω do masy, aby zapewnić sobie poprawne działanie. Każde z wyjść, jak pokazano poniżej, generuje jedynie połówkę sinusoidy.

    Każde wyjście osiąga maksymalne napięcie równe 0,6 V, co daje amplitudę ±0,6 V. Wymagane tłumienie wynosi 26 dB. Przy oporniku 200 Ω osiąga się je łatwo, tworząc prosty dzielnik oporowy. Jako że sygnał nie wzrasta jednorodnie, szczytowa wartość sygnału powinna osiągać wymaganą wartość za dzielnikiem.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Naopięci wyjściowe syntezatora AD9834C na terminalach róznicowych IOUT oraz /IOUT. Pominięto artefakty wynikające z aliasingu.


    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału (5)


    Wykorzystując standardowe oporniki o rezystancji równej 6,98 Ω i 191 Ω wprowadzamy do sygnału błąd amplitudy równy około 0,7%.

    Dodatkowo potrzebne są pewnie zabiegi antyaliasingowe. Przy 75 MSPS częstotliwość Nyquista wynosi 37,5 MHz, co przekracza 20 MHz pasmo założone w projekcie. Jeśli biegun filtr antyaliasingowego ustawimy na 20 MHz potrzebny nam będzie kondensator w filtrze o pojemności opisanej wzorem:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału (6)


    Co jest standardową wartością, zatem kompletny układ prezentuje się następująco:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    DDS + tłumik i filtr + AD8338.


    Ten stopień został zrealizowany praktycznie i opomiarowany. Wariacje realnego układu względem modelu wyniosły poniżej ±0,6 dB, jak pokazano poniżej:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Calculated vs. measured gain for AD8338 configuration.


    Stopień wyjściowy oparty na ADA4870

    Przy asymetrycznym wyjściu, zapewnionym przez układ AD8130 układ ADA4870 realizuje finalny stopień wzmocnienia ze wzmocnieniem równym 10. Dwa oporniki potrzebne są, aby je skonfigurować, a układ jest stabilny bez dodatkowych zewnętrznych układów kompensujących. Jedyne, co jest potrzebne na tym etapie to zapewnienie, iż układ pasuje do naszej aplikacji. Zasadniczo istnieją trzy możliwe implementacje:

    1. Wyjście wzmacniacza bezpośrednio podłączone do obciążenia 50 Ω
    2. Tłumione wyjście podłączone do obciążenia 50 Ω poprzez autotransformtor
    3. Nietłumione wyjście podłączone do obciążenia 50 Ω poprzez auotransformator

    Przy bezpośrednim połączeniu wyjście wzmacniacza podłączone jest bezpośrednio do konektora wyjściowego generatora, bez transformatora ani innych elementów dyskretnych. Schemat tego podłączenia pokazano poniżej. Jast to idealny układ realizujący połączenie w zakresie DC i AC, jednakże metoda ta nie wykorzystuje pełnego potencjały układu. Mimo wszystko układ taki jest lepszy niż typowy generator funkcyjny z wyjściem o amplitudzie maksymalnej 10 V. W tej konfiguracji układ dostarcza 5,12 W mocy maks.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Bezpośrednie podłączenie wzmacniacza wyjściowego


    W tłumionym rozwiązaniu obciążenie 16 Ω rozłożone jest na szeregowy tłumik o rezystancji 8 Ω i auotransformator o przełożeniu 1,5:1, jak pokazano poniżej. W tym układzie niska impedancja pozwala projektantowi na wykorzystanie 6,25 raza mniejszych wartości indukcyjności noiż te używane przy impedancji wyjściowej 50 Ω. Filtr dolnoprzepustowy i autotransformator zmieniają impedancję źródła równą 8 Ω na efektywną impedancję równą 50 Ω. W tym układzie maksymalna moc wyjściowa wynosi 8 W, jest on idealny do aplikacji, w których potrzebne jest dobre dopasowanie do takiej impedancji, a odbicia sygnałów są istotne (np. z uwagi na wykorzystanie linii długich).

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    DA4870 connections for padded-output design. Input impedance appears as 50 Ω to any reflections within the band of interest.


    Ostatnia opcja jest chyba najbardziej użyteczna w generatorze sygnałowym. Pomija się w niej ośmioomowy tłumik, co pozwala na podwojenie mocy wyjściowej. Drabinka LC na wyjściu nadal jest rekomendowana, jak pokazano na poniższym schemacie, jednakże wartości elementów są 3,125 raza mniejsze niż przy impedancji 50 Ω. W tym przypadku autotransformator powinien mieć przełożenie równe 0,77:1. W tym trybie maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 28,3 V a układ ADA4870 jest w stanie sterować mocą do 16 W przy obciążeniu 50 Ω (8 Wrms lub 39 dBm).

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Connections for optimal power output for driving 50-Ω loads.


    Całkowite rozwiązanie

    W rzeczywistości symulacje i obliczenia są bez znaczenia, jeśli nie mają one styczności z prawdziwymi obserwacjami. Jest bardzo istotne, aby zbudować i przetestować kompletny system i porównać jego parametry z tymi wyznaczonymi. Poniższy schemat pokazuje pełen układ z wyjściem z tłumikiem:

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Kompletny schemat stopnia wyjściowego


    Poniższy wykres pokazuje wyniki pomiarów bez filtra wyjściowego. Układ charakteryzuje się spójnością wzmocnienia z oczekiwaniami na poziomie ±1 dB. Całkowity zakres wzmocnień stopnia wyjściowego wynosi 62 dB - o 16 dB więcej niż standardowe rozwiązania.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Tłumiona, niefiltrowana wersja stopnia wyjściowego. Wyniki pomiaru mocy wyjściowej przy FTEST = 14.0956 MHz.


    Zakres wzmocnień można poprawić poprzez lepsze filtrowanie wyjścia z syntezatora DDS jak i poprzez zmniejszenie poziomu szumów w układzie. Poniższy wykres pokazuje wyniki pomiarów z filtrem wyjściowym, poprawiającym liniowość.

    Dwa nowe układy pozwalają podejść na nowo do generatorów sygnału
    Wyniki pomiarów przeprowadzonych przez filtr dolnoprzepustowy piątego rzędu (fc = 20 MHz). FTEST = 14.0956 MHz.


    Jeśli wymagane są jeszcze większe moce wyjściowe, można równolegle składać ze sobą kilka wzmacniaczy wyjściowych wraz z specjalnym transformatorem. Podobnież podejście opisane powyżej można wykorzystać w aplikacjach z mniejszym napięciem zasilania.

    Podsumowanie

    Połączenie wysokiej jakości VGA z wzmacniaczem CFA z pozwoliło na skonstruowanie front-endu nowoczesnego generatora sygnałowego. Całkowite koszty projektu są zminimalizowane dzięki wykorzystaniu opisanych powyżej układów, dzięki wysokiemu stopniowi integracji w/w układów.

    Dodatkowo układ można wzbogacić o wzmacniacz logarytmujący, taki jak AD8310, wykorzystany w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Z tym dodatkiem wykorzystując syntezator DDS taki jak AD9834C, można wbudować w układ szereg rodzajów obwiedni, takich jak modulacja FSK, OOK, PSK i inne.

    Źródło:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-10/signal_generator.html


    Fajne! Ranking DIY
  • Relpol