Синтезаторы частоты I2C

Синтезаторы частоты используются в радиоприемной аппарату­ре, телевизорах, аппаратуре сотовой и многоканальной связи для по­лучения стабильной во времени частоты, которую можно регулиро­вать с определенным шагом. Другими словами, синтезатор служит для формирования сетки частот. Синтезаторы частоты обычно вы­полняются с применением цифровой техники, то есть необходимая частота задается в цифровом виде, управление осуществляется с по­мощью микроконтроллера. Красноречивый пример удобства исполь­зования цифровой настройки вы можете почувствовать, когда вклю­чаете в телевизоре режим автосканирования. Синтезатор плавно «пробежит» диапазон, микроконтроллер «запомнит» найденные телеканалы, н пользователю остается только нажимать кнопки выбора каналов на дистанционном пульте управления.

Общие принципы устройства синтезаторов, их применения в ра­диолюбительских приемниках вы сможете найти в предыдущей кни­ге данной серии [14]. В этой книге приводится пример использова­ния синтезатора SAA1057 фирмы Philips. Для его программирования необходимо иметь три линии стандарта CBUS, что, конечно, не слишком удобно. Шина I2C в этом отношении более прогрессивна, 1ак как имеет только две линии. Естественно, немного усложнен про­токол обмена, но это плата за внешнюю простоту. К тому же для обеспечения обмена и передачи данных нужно всего лишь соответст­вующим образом разработать программное обеспечение.

В качестве примера синтезатора частоты с интерфейсом ГС мы рассмотрим микросхему TSA6057 [15]. Аналогичная ей микросхема TSA6060 имеет расширенный частотный диапазон и практически не отличается от TSA6057.

TSA6057

Этот синтезатор частоты специально разработан для использова­ния в радиоприемной аппаратуре. Он выпускается в корпусах DIP 16 (TSA6057) и SOT162-1 (TSA6057T) с нланарными выводами. В пред­уведомлении [15] содержатся основные технические характеристики микросхемы, а также упоминаются ее преимущества по сравнению с предыдущими разработками в этой области:

• совмещенный предварительный усилитель сигналов AM и FM диапазонов с высокой входной чувствительностью;

• совмещенный токовый усилитель типа «зарядовый насос» (charge pump) с двумя уровнями выходного тока и регулиров­кой петлевого усиления системы ФАГ1Ч (фазовой автопод­стройки частоты);

• единый задающий генератор (4 МГц) для диапазонов AM и FM;

• быстрая настройка, обеспечиваемая цифровым фазовым детек­тором;

• настраиваемая сетка частот: 1, 10, 25 кГц;

• программный контроль переключения диапазонов.

Расположение выводов микросхемы приведено на рис. 3.22, на значение выводов — в табл. 3.6.

Микросхема сохраняет работоспособность в интервале темпера­тур от -30 до +85 °С и хранится в интервале температур от -65 до +150 °С.

Основные параметры, необходимые для проектирования, приве­дены в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Параметр технических условий	Символ	Мин.	Норма	Макс.	Ед. изм.
Напряжение питания (вывод 3)	Vcc,	4,5	5,0	5,5	В
Напряжение питания (вывод 16)	4x2	Vcc,	8,5	12	В
Ток потребления: по выводу 3 по выводу 16	'cci 'сс2	12 0,7	20 1,0	28 1,3	мА
Входное напряжение высокого уровня на линиях SCL, SDA	Vih	3,0	-	5,0	В
Входное напряжение низкого уровня на линиях SCL, SDA	\	-0,3	-	1,5'	В
Напряжение низкого уровня (выходное) на линии SDA	Vol	-	-	0,4	В
Входное напряжение высокого уровня на выводе AS	Vih	3,0	-	5,0	В
Входное напряжение низкого уровня на выводе AS	\	-0,3	-	1,0	В
Максимальная входная частота на входе AM,	'iam	30	-	-	МГц
Минимальная входная частота на входе AM;	'am	-	-	0,512	МГц
Максимальная входная частота на входе FM;	'iFM	150	-	-	МГц
Минимальная входная частота на входе FM;	'ifm	-	-	30	МГц
Входное сопротивление на входе AM,	Ram	-	5,9	-	кОм
Входная емкость по входу AM;	Cam	-	2	-	пф
Входное сопротивление на входе FMj	rfm	-	3,6	-	кОм
Входная емкость по входу FM,	Cfm	-	2	-	пФ
Входное напряжение на входе АМ; (RMS)	VjAM	30	-	500	мВ
Входное напряжение на входе FMj (RMS)	VjFM	20	-	300	мВ
Выходной ток схемы «зарядовый насос»: бит CP = 0 бит CP = 1	'chp 'chp	3 400	5 500	7 600	мкА мкА

Окончание таблицы 3.7

Параметр технических условий	Символ	Мин.	Норма	Макс.	Ед. изм.
Выходное напряжение на выводе 8 (CP):
высокий уровень	V0h	-	-	12	В
низкии уровень	Vo,	-	-	0,8	В
Выходная частота на выводе 9	fref	-	40	-	кГц
Напряжение на выводе 9:
высокий уровень	V0h	1,2	1,4	1,7	В
низкии уровень	Vol	-	0,1	0,2	В
Напряжение на выводе 15 (AM tuning):
максимальный уровень	VoMAX	Vea-1.5	-	-	В
минимальныи уровень	VoMIN	-	-	0,8	в
Напряжение на выводе 13 (FM tuning):
максимальный уровень	VoMAX	Vca-1.5	-	-	в
минимальный уровень	VqMIN	-	-	0,8	в

Блок-схема, отображающая внутреннее устройство микросхемы TSA6057, приведена на рис. 3.23. Цифрами обозначены: 1,2 — входные буферные усилители;

• — предварительный усилитель с коэффициентом деления 3 и 4;

• — мультиплексор;

• — предварительный делитель с коэффициентом деления 3 и 4;

• — 13-битный программируемый делитель;

• — 4-битный swallop счетчик;

• — цифровой фазовый детектор;

• — мультиплексор «3 в 1»;

• — задающий счетчик;

• — задающий генератор;

• — стабилизатор;

• — контроллер шины I2C;

• — регистр установленной частоты;

• — программируемый токовый усилитель; 16, 17 — выходные усилители;

• — переключатель FM/AM;

• — переключатель AM/FM;

• — переключатель диапазонов.

Управление синтезатором осуществляется с помощью цепочки командных байтов, приведенной на рис. 3.24.

Управляющая цепочка в общем случае содержит 6 байтов, но мо­жет содержать и 4 байта, то есть программирование синтезатора бу­дет осуществляться быстрее. Чтобы определиться, в каких случаях возможно сокращение (усечение) цепочки, рассмотрим структуру и назначение каждого бита. Информация об этом содержится на рис. 3.25.

Знакомый нам slave-адрес задан жестко, кроме информационного бита А1, связанного с выводом AS (12) микросхемы. Если подклю­чить вывод AS к напряжению питания (+ 5 В), бит А1 должен про­граммироваться в «1», если к общему проводу — то в «О». Соответ­ственно в одном устройстве может одновременно работать 2 одина­ковых PLL синтезатора. Зачем это нужно? Если вы прочтете книгу [14], то узнаете из нее о существовании так называемой системы

RDS (Radio Data System), предназначенной для передачи цифровых данных в FM диапазоне. Некоторые автомобильные магнитолы мо­гут в фоновом режиме сканировать диапазон, осуществляя поиск со­ответствующей RDS передачи. Наиболее простым способом осуще­ствить эту операцию видится установка двух одинаковых синтезато­ров частоты, один из которых постоянно «держит» частоту настройки, а второй — периодически сканирует диапазон.

Байт субадреса (subaddress) задает объем информации, переда­ваемой для программирования синтезатора. Данная микросхема име­ет 3 субадреса, показанных на рис. 3.26. Там же показаны и возмож­ные объемы передачи информации.

Наиболее полной является информация, передаваемая по субад­ресу со значением 03. Информация по субадресам 02 и 00 является как бы поделенной на две части. Очень важно отметить, что такое разделение не случайно. Почему? Снова обратим внимание на рис. 3.25. Информационные слова DAT АО и DATA1 содержат в ос­новном данные по частоте настройки, в то время как слова DATA2 и DATA3 определяют в основном установки синтезатора частоты, ко­торые подвержены изменению в значительно меньшей степени. Ко­гда нет смысла часто менять установки, можно передавать только частоту настройки, тем самым сокращая время программирования. Удобно? Вне всякого сомнения! Забегая вперед, можно сказать, что слова DATA2 и DATA3 все-таки содержат данные о частоте (биты S15 и S16), но, как оказывается, в некоторых случаях они не подвер­жены изменению.

Теперь рассмотрим подробнее назначение битов, содержащихся в байтах DATA0...DATA3, а также принципы ее формирования. Час­тота настройки, которая будет отслеживаться синтезатором, устанав­ливается по правилу, приведенному в табл. 3.8.

Таблица 3.8

Бит «FM/AM»	Входные частоты	Диапазон
0	(Sqx2° + S,x2' +...+ Sl3x213 + S14x2'4)xfref	AM
1	(Sqx2° + S,x2' +...+ S15x215 + S16x216)xfref	FM

Задав битами S0...S14 для диапазона AM или битами S0...S16 для диапазона FM значение частоты, нужно умножить его на значение шага сетки частот (f_rcf), и тогда мы получим истинное значение час­тоты, которое синтезатор будет поддерживать. Значение частоты f_ref задается битами REF1 и REF2, содержащимися в байте DATA2 по правилу, приведенному в табл. 3.9.

Таблица 3.9

REF1	REF2	Частота, кГц
0	0	1
0	t	to
1	0	25
1	1	-

Важно также отметить, что минимальное значение частоты, зада­ваемое битами S0...S14, составляет 2⁶, то есть 64, а в диапазоне FM — 2⁸, то есть 256. Теперь нам станет понятно, почему в некото­рых случаях нет необходимости менять информацию, содержащую­ся в словах DATA2 и DATA3, однажды задав ее, или обновлять дос­таточно редко (если, конечно, приемник работает только в диапазоне FM с сеткой частот 10 кГц). Попробуйте оценить, почему в этом слу­чае вообще не нужно переключений в байтах DATA2 и DATA3...

Понятно, что бит FM/AM, содержащийся в байте DATA2, «пере­ключает» диапазон, выбирая в качестве входа вывод 5 или вывод 7 микросхемы. Но необходимо также переключать и выходной про­граммируемый токовый усилитель (поз. 15 на рис. 3.23). Для этого предназначены переключатели (поз. 18 и 19 на рис. 3.23), которые управляются с помощью бита «FM/AM оратр». Состояние этого би­та показано в табл. ЗЛО.

Таблица 3.10

1 Бит «FM/AM оратр»	Ключ «FM/AM»	Ключ «AM/FM»
1 1	закрыт	открыт
\ °	открыт	закрыт

Бит «BS» (Bandswidth) очень удобно использовать для переклю­чения диапазонов приемника, гак как его значение, будучи задано программно, появляется на выводе BS микросхемы (вывод 8). Необ­ходимо отметить, что данный вывод выполнен по технологии «от­крытый коллектор» и для нормального функционирования важно на­грузить его сопротивлением порядка 10 кОм, подключенным к на­пряжению питания (5 В).

Биты Т1...ТЗ относятся к тестовым функциям, которые не описа­ны в документации [15]. Рекомендуется программировать все биты байта DATA3 нулями.

Типовая схема включения TSA6057 приведена на рис. 3.27. На основе этой микросхемы читателю будет предложено построить не­сложный тюнер, работающий в диапазонах FM и ЧМ («западном» и «отечественном»).

TSA6060

Этот PLL синтезатор мало чем отличается от ранее описанной микросхемы TSA6057, поэтому здесь следует обратить внимание только на интересные отличия.

Для задания частоты генератора может использоваться кварце­вый резонатор на 4 или 8 МГц (конфигурируется программно). Час­тотный диапазон: 500 кГц...30 МГц — для AM и 30...200 МГц — для диапазона FM. Эта микросхема также может использоваться в селек­торах метровых волн телевизионных приемников (VHF). Сетка час­тот может быть указана с шагом 1,10, 25, 50 кГц. Расположение вы­водов микросхемы TSA6060 показано на рис. 3.28, а назначение вы­водов — в табл. 3.11.

Таблица 3.11. Назначение выводов микросхемы TSA6060

Символ	Вывод	Описание
INLCK	1	in-lock выходной детектор
XTAL2	2	Вход задающего генератора
Vcc,	3	Вывод питания«+»
Vee	4	Общий провод («земля»)
	5	Вход гетеродинного сигнала FM
DEC	6	Вывод развязки предварительного делителя
An	7	Вход гетеродинного сигнала AM
BS	8	Вывод переключения диапазонов (открытый коллектор)

Окончание таблицы 3.4

Символ	Вывод	Описание
'ref	9	Выход частоты 40 кГц
SDA	10	Линия SDA |2С шины
SCL	11	Линия SCL |2С шины
AS	12	Селектор slave-адреса на шине I2C
FM0	13	Выход FM внешнего петлевого фильтра
LOOP,	14	Выход усилителя настройки
AM0	15	Выход AM внешнего петлевого фильтра
4*2	16	Вывод питания«+»

Таблица 3.12. Тестовые сигналы

В комбинацию битов REF1 и REF2 добавлена сетка частот 50 кГц — комбинация 11. Байты информации DATA2 и DAT3 имеют следующую структуру, показанную на рис. 3.29.

В документации приведена табл. 3.12, где указаны тестовые сиг­налы.

ТЗ	Т2	Т1	Функция
0	X	0	Нормальная работа
1	0	1	CP source
0	1	1	CP sink
1	1	1	CP 3-state
0	0	1	CP sink+source
1	1	X	BS = main divider output
1	0	X	BS = reference divider output

Сигнал INLCK (вывод 1) свидетельствует о захвате фазовым де­тектором частоты и об удержании ее. Дело в том, что при перестрой­ке с одной частоты на другую требуется некоторое время для того, чтобы фазовый детектор вошел в синхронизацию и поддерживал не­изменной частоту гетеродина. Процесс перестройки с частоты f, на частоту f₂ показан на рис. 3.30.

График рис. 3.30, а отражает процесс изменения напряжения на­стройки (по сути это напряжение смещения на варикапах). Уровень напряжения, соответствующий частоте f,, показан сплошной линией, соответствующий частоте f₂ — пунктирной линией. Перестройка с частоты на частоту занимает некоторое время, и в момент ее начала сигнал захвата INLCK устанавливается в нулевое состояние. Так как петля ФАПЧ обладает некоторой инерционностью, напряжение «проскакивает» уровень f₂, но через некоторое время снова склоняет­ся к уровню f_:. Процесс носит характер колебательного, но постепен­но (асимптотически) сходящегося. В моменты пересечения линии f, внутренняя схема lock flag (рис. 3.30, б) вырабатывает сигналы, сви­детельствующие об этом (короткие установки в ноль), но на выходе

INLC-K сохраняется низкий уровень, так как высокий уровень здесь может установиться спустя некоторое время т_зад (рис. 3.30, в). Так как вывод INLCK достаточно маломощный, необходимо использовать простейший буферный элемент — ключ на транзисторе (рис. 3.31).

Подключение микросхемы TSA6060 имеет минимальные отли­чия от описанной ранее TSA6057. Отличие состоит в установке квар­цевого резонатора (рис. 3.312).

Предлагаю ознакомиться с аналогичными статьями: