Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2014
John Ambrose, MSI
Electronic Design
Выпускается немало микросхем прямого цифрового синтеза, способных формировать высокочастотные синусоидальные сигналы, но сфера их целесообразного использования существенно ограничена высокой сложностью. Однако задачу генерации гармонических колебаний легко можно решить с помощью логических элементов КМОП и пары фильтров на коммутируемых конденсаторах. Микросхемы фильтров позволяют формировать сигнал с частотой 1 МГц и амплитудой 1.7 В пик-пик.
Пример такой схемы показан на Рисунке 1. В нем использованы выпускаемые компанией MSI фильтры на коммутируемых конденсаторах MSHFS6 с 5-вольтовым питанием и отношением тактовой частоты к центральной равным 12.5:1. Эти экономичные микросхемы могут работать как в режимах низкочастотных 6-полюсных фильтров Баттерворта, Бесселя или эллиптических фильтров, так и в качестве полосовых полно- 1/3- или 1/6-октавных фильтров. Конкретная конфигурация выбирается соответствующей коммутацией выводов 1 … 3 MSHFS6.
 |
|
| Рисунок 1. | Вместо микросхемы прямого цифрового синтеза в генераторе SIN/COS использованы логические микросхемы КМОП и два фильтра на коммутируемых конденсаторах. |
В схеме использованы два счетчика. Микросхема 74HC393A делит частоту 50 МГц на 4, до частоты 12.5 МГц. 74HC390A содержит делители на 2 и на 5. Комбинация этих двух счетчиков и D-триггера 74HC74A позволяет понизить частоту 50 МГц до 500 кГц.
На выходах Q и /Q микросхемы 74HC74A формируются импульсы половинной частоты выходного сигнала 74HC390A. После деления частоты выходных импульсов 74HC74A на 2 с помощью части 74HC390A образуется сигнал, сдвинутый на –90°. На Рисунке 2 изображены входные прямоугольные импульсы с частотой 100 МГц, выходные импульсы 12.5 МГц, используемые для синхронизации фильтров, и импульсы 1 МГц каналов SIN и COS.
 |
|
| Рисунок 2. | Из последовательности прямоугольных импульсов с частотой 100 МГц (канал 1) получены синусоидальный (канал 3) и косинусоидальный (канал 4) сигналы частотой 1 МГц. |
Чтобы исключить искажения в фильтрах, амплитуда выходных сигналов делителей, практически равная напряжению питания, понижается резистивными делителями R1, R2 и R9, R10. Фильтрация постоянных составляющих входных сигналов MSHFS6 позволяет получить сглаженные прямоугольные импульсы, симметричные относительно аналоговой земли фильтров.
На Рисунке 3 показаны осциллограммы сигналов на выходах двух фильтров при частоте входного сигнала около 50 МГц. Если «перевернутый» сигнал на выходе COS не подходит для выбранного приложения, его можно инвертировать с помощью операционного усилителя, включенного на выходе фильтра COS или на выходе 13 счетчика 74HC390A.
 |
|
| Рисунок 3. | Каналы 1 и 2 демонстрируют выходные сигналы двух фильтров на коммутируемых конденсаторах при входной частоте около 50 МГц. |
Фигура Лиссажу для двух выходов схемы (Рисунок 4) указывает на соотношение фаз 89.1° между каналами SIN и COS. Анализатор нелинейных искажений Krohn-Hite 6900B с входным ФНЧ, необходимым для удаления составляющих синхросигнала и имеющим частоту среза 1 МГц, показал, что общий коэффициент нелинейных искажений сигнала на выходе SIN равен 0.1%.
 |
|
| Рисунок 4. | Фигура Лиссажу для двух выходов схемы указывает на соотношение фаз 89.1°. |
Несмотря на то, что, согласно справочным данным, предельная рабочая частота микросхем 74HC390A и 74HC393A при напряжении питания 6 В равна 50 МГц, MSI и другие компании находят эту спецификацию чрезмерно скромной.
|
|
| Рисунок 5. | В первоначально предложенном варианте использован фильтр на коммутируемых конденсаторах MSHFS6, однако схема может работать и с более новой версией MSVHFS6, рассчитанной на напряжение питания 3.3 В. Осциллограмма показывают фазовые соотношения сигналов на временнóй оси. |
 |
|
| Рисунок 6. | Фигура Лиссажу показывает соотношение фаз выходных сигналов схемы, в которой используются фильтры MSVHFS6 с напряжением питания 3.3 В. |
В рассматриваемом приложении счетчики могут работать на частоте 100 МГц, что позволит использовать более новую версию фильтров MSVHFS6 с частотой синхронизации 100 МГц и напряжением питания 3.3 В. Все, что требуется для такой замены – понизить напряжение питания до 3.3 В, 5-вольтовые микросхемы MSHFS6 заменить на MSVHFS6 и повысить входную частоту до 100 МГц. На Рисунках 5 и 6 выходные сигналы фильтров сравниваются во временнóй и фазо-частотной областях.
