Методические указания к лабораторным работам "Исследование работы ВЧ ЦАП в радиопередающем устройстве", "Исследование петли ФАПЧ цифрового синтезатора частоты", "Исследование синтезатора частоты косвенного синтеза на ИМС TSA6057" и "Исследование прямого цифрового синтезатора частоты на ИМС AD9832"

Лабораторная работа № 1

Исследование работы ВЧ ЦАП в радиопередающем устройстве

1.1. Изучение спектра выходного колебания ЦАП при формировании гармонического сигнала

Запустите файл с лабораторной работой TxDAC.cir (рис.1.1). Установите тактовую частоту ЦАП f_такт = 20 МГц, подключив к входу clock модели ЦАП соответствующий источник U3. Интерполяционный (2х­) фильтр должен быть выключен (переключатель в положении OFF). Частоту источника входного сигнала установите равной f_вх = 5 МГц. Запустите моделирование в режиме Analysis\Transient (кнопкой RUN).

Рис. 1.1

При этом на верхней системе координат синим цветом отобразится исходная синусоида (рис.1.2), красным -  выходной сигнал ЦАП (без фильтрации), зеленым - выходной сигнал ЦАП, пропущенный через антиалайзинговый (сглаживающий) фильтр, которым в данном случае является ФНЧ пятого порядка с частотой среза 10 МГц. На средней и нижней системах координат теми же красным и зеленым цветами  отобразятся спектры выходного сигнала ЦАП без фильтрации и сигнала с выхода сглаживающего фильтра соответственно.

Обратите внимание, что на спектре, получаемом на среднем графике, масштаб установлен таким образом, что первая гармоника имеет относительную амплитуду +120 дБ. Это сделано для удобства отсчета амплитуд других спектральных составляющих в децибелах относительно амплитуды первой гармоники. В связи с этим изменять масштаб в задании на моделирование (в окне Transient Analysis Limits, рис.1.3) или включать автоматическое масштабирование (Auto Scale Ranges) нецелесообразно. Напоминаем, что наиболее удобным способом отсчета величины спектральных составляющих является переход в режим «двух курсоров» (функциональная клавиша F8) и перемещение курсоров не мышью, а кнопками  ¬  и  ®  на клавиатуре. Разность относительных значений амплитуд двух спектральных составляющих, на которых установлены правый и левый курсоры, удобно отсчитывать в колонке Delta под соответствующим спектром.

Рис. 1.2

Рис. 1.3

Просим не сохранять изменения, вносимые в модель в ходе лабораторной работы!

Зарисуйте в отчет форму сигналов (эпюры с верхней системы координат), а также спектры выходного сигнала ЦАП и сглаживающего фильтра (до частоты 70…90 МГц), подписав над наиболее интенсивными спектральными составляющими их частоты и относительные амплитуды (в дБ). Объясните «происхождение» этих составляющих, т.е. напишите над каждой из них и формулу, по которой можно рассчитать ее частоту, например: 2f_такт – f_вх. (Напомним, что каждая из них может быть рассчитана по формуле Nf_такт ± f_вх. Такие составляющие называются «образами» («images») исходного сигнала.)

Установите f_такт = 20 МГц, f_вх = 7 МГц, зарисуйте форму напряжения выходного сигнала ЦАП и его спектр (можно рисовать только «образы»), также подписав частоты и амплитуды «образов» исходного сигнала. Обратите внимание на взаимное смещение «образов» по сравнению с предыдущим случаем.

Рисуя форму выходного напряжения ЦАП, сравните ее с аналогичной кривой для предыдущего случая: вы должны увидеть, что нарушилась периодичность этого сигнала (т.к. 20/7 = 2,85714… не является целым числом).

Нарисуйте спектры (только спектры) и подпишите частоты «образов» и для следующих двух случаев: f_такт = 50 МГц, f_вх = 5 МГц, и f_такт = 100 МГц, f_вх = 5 МГц.

1.2. Исследование АЧХ ядра цифроаналогового преобразования

Известно, что своеобразный «стробоскопический» эффект приводит к формированию у ядра ЦАП АЧХ вида sin(x)/x, где x = pf_вх/f_такт .На рис. 1.4 показана в качестве примера пунктиром такая АЧХ для случая f_такт = 30 МГц, f_вх = 10 МГц.

Рис.1.4

Ваша задача: взяв из предыдущего пункта значения амплитуд «образов» (со средней системы координат!) для случая f_такт = 20 МГц, f_вх = 5 МГц или повторив моделирование для другого сочетания частот, сравнить относительные значения этих амплитуд с рассчитанными по формуле

Заполните таблицу, в которую занесите частоты нескольких первых «образов», их относительные амплитуды, полученные при моделировании и путем расчета.

1.3. Выделение полезных спектральных составляющих

Предположим, полезным является сигнал с частотой из интервала 6…7 Мгц (выберите произвольно, но частота должна быть кратной 0,1 МГц для правильной работы алгоритма БПФ в программе). Установите выбранную вами частоту сигнала и f_такт = 20 МГц, запустите моделирование и на нижнем спектре (спектре напряжения с выхода ФНЧ с частотой среза 10 МГц) найдите и запишите относительную амплитуду полезной составляющей и частоты и амплитуды двух-трех наиболее интенсивных нежелательных спектральных составляющих. Очевидно, что нежелательные колебания в спектре подавлены недостаточно.

Для улучшения подавления нежелательных спектральных составляющих можно увеличивать тактовую частоту ЦАП. Повторите моделирование для случаев с f_такт = 50 МГц и f_такт = 100 МГц, записывая, как и раньше, относительную амплитуду полезной составляющей и частоты и амплитуды двух-трех наиболее интенсивных нежелательных спектральных составляющих.