Применение синтезаторов частоты в приборах и аппаратно-программных комплексах для электропунктурной диагностики и терапии

 

И.А.Белых

(Москва, МЭИ (ТУ), Россия)

Введение и постановка задачи

Одна из задач, решаемых в современных приборах и аппаратно-программных комплексах (АПК) для электропунктурной диагностики и терапии (ЭПДиТ), это формирование последовательностей колебаний заданной формы и частоты. В качестве устройств управления и контроля в современных приборах и АПК для ЭПДиТ в настоящее время используются те или иные однокристальные микро-ЭВМ (далее – микроконтроллеры). Аппаратные средства, реализованные в современных микроконтроллерах, позволяют получать на выходе сигналы с частотами вплоть до сотен килогерц. Однако последние исследования в области ЭПДиТ показали необходимость в формировании сигналов с частотами мегагерцового диапазона. Из отсутствия в микроконтроллерах встроенных средств, позволяющих реализовать это, вытекает необходимость использования внешних средств, а именно синтезаторов частоты.

Рассмотрим принципы работы наиболее распространенных типов современных синтезаторов частоты.

Синтезаторы частоты, работающие по принципу аккумулятора

Упрощенно их принцип работы описан ниже.

1.     Загружаются значение подстройки частоты в фазовый аккумулятор (ФА) и значение подстройки фазы в сумматор дополнительной модификации цифрового значения фазы выходного сигнала (ДМЦЗФВС).

2.     По тактовым импульсам (следующим с частотой f_CLK) ФА циклически суммирует значение, загруженное в его регистр.

3.     При переполнении сумматора ФА формируется сигнал переполнения, по которому значение аккумулятора подаётся на сумматор ДМЦЗФВС, где суммируется со значением подстройки фазы.

Таким образом, если бы сумматор ФА инкрементировался по 1, то частота появления сигнала переполнения равнялась бы f_CLK/2^N, где N – разрядность аккумулятора. Учитывая, что инкрементируется он не по 1, а по значению подстройки частоты (обозначим его ∆Phase), то частота появления сигнала переполнения, а следовательно и частота выходного сигнала, будет в ∆Phase раз больше:

Синтезаторы частоты, работающий по принципу прямого цифрового синтеза (DDS)

Упрощенно их принцип работы описан ниже.

1.     Загружаются значение подстройки частоты в ФА и значение подстройки фазы в сумматор ДМЦЗФВС.

2.     По тактовым импульсам (следующим с частотой f_CLK) ФА циклически суммирует значение, загруженное в его регистр.

3.     Если задействован сумматор ДМЦЗФВС, то выходное значение фазового аккумулятора суммируется со значением подстройки фазы, хранящимся в сумматоре ДМЦЗФВС.

4.     С каждым тактом значение на выходе фазового аккумулятора подается на ПЗУ с таблицей значений Sin (Sin ROM look-up table), где формируется цифровое значение выходного синусоидального сигнала.

5.     Синусоида (точнее ее цифровые отсчеты), которая хранится в ПЗУ с таблицей значений Sin, разбита на 2^N отрезков, для каждого из которых хранится соответствующее цифровое значение амплитуды синусоиды.

Проблематика применения DDS-синтезаторов частоты

Синтезаторы частоты, работающие по принципу аккумулятора, формируют сигналы определенной формы (не задаваемой и не изменяемой), а именно – определяемой характеристиками сигнала переполнения аккумулятора. Для решения задач, стоящих перед разработчиками приборов и АПК для ЭПДиТ, данный вариант не подходит, т.к. необходимо иметь возможность задавать и изменять форму и частоту выходного сигнала. Рассмотрим особенности работы DDS-синтезаторов частоты поподробнее.

Когда значение подстройки частоты большое (например больше половины максимального значения), на периоде синусоиды в ПЗУ с таблицей значений Sin будут помещаться [до переполнения] только одно значение с выхода фазового аккумулятора, но не всегда (а всегда – при максимальном значении фазы в ПЗУ с таблицей значений Sin, при этом частота на выходе будет равна F_CLK), а до тех пор, пока не поместится 2 значения (это будет приблизительно через максимальное количество отсчетов). При этом частота на выходе будет другой (2F_CLK), после чего опять будет помещаться только 1 значение с фазового аккумулятора.

Таким образом в случае, если значение подстройки частоты, загружаемое в регистр фазового аккумулятора, не укладывается на периоде циклического суммирования целое число раз, то частота формируется не точно, а с определенной девиацией, что вызывает появление в спектре выходного сигнала паразитных гармоник.

Для того, чтобы оценить влияние данного факта на диапазон возможных значений подстройки частоты, было проведено программное моделирование работы DDS-синтезатора частот.

Методика программного моделирования работы DDS-синтезаторов

1.         Подсчитывалось количество переполнений сумматора фазового аккумулятора для задаваемого количества итераций циклического суммирования.

2.         Если значение подстройки частоты (т.е. заполнитель регистра фазового аккумулятора) не укладывалось целое число раз на периоде циклического суммирования, то количество переполнений получалось разным (c1 и c2), и вычислялось их соотношение c1/c2 или c2/c1 (отношение большего к меньшему).

3.         В противном случае, если значение подстройки частоты укладывалось целое число раз, то количество переполнений получалось всегда одинаковым, и в качестве соотношения бралось c1.

4.         Данные соотношения вычислялись для разных значений подстройки частоты, а затем откладывались на графике по оси ординат. По оси абсцисс откладывался № этапа моделирования, прямо пропорциональный значению подстройки частоты.

Анализ результатов моделирования работы DDS-синтезаторов частоты

В соответствии с вышеописанной методикой программного моделирования работы DDS-синтезатора частоты был разработан алгоритм и написана программа моделирования и сбора статистических данных.

График был получен по результатам моделирования работы DDS-синтезатора частоты для 10000 итераций циклического суммирования. При этом значение подстройки частоты изменялось от 1 до 65000 с шагом 65 (всего было получено 1000 значений).

Пики соответствуют большим значениям соотношения количеств переполнения сумматора фазового аккумулятора, а, следовательно, случаям более точного формирования сигнала заданной частоты – т.е. с малой девиацией.

Хорошо видно, что пики чаще расположены в области низких значений подстройки частоты, а во второй половине графика (в области высоких значений подстройки частоты) практически отсутствуют, а значит, выходной сигнал будет практически всегда формироваться с существенной девиацией.

На основании построенного графика можно сделать вывод о выборе диапазона возможных значений подстройки частоты с учетом допустимого уровня девиации частоты формируемого выходного сигнала.

Выводы по статье

1.     Рассмотрены принципы работы наиболее распространенных типов синтезатора частоты.

2.     Сформулированы особенности применения синтезаторов частоты, работающих по принципу прямого цифрового синтеза, в приборах и аппаратно-программных комплексах для электропунктурной диагностики и терапии.

3.     Разработана методика и алгоритм программного моделирования работы DDS-синтезаторов частоты. Написана программа и проведено соответствующее моделирование с набором статистики. Проведен анализ полученных данных.