История создания синтезатора
В поисках недорогого решения для LO SHF трансвертера обратил внимание на микросхему ADF4350. Разработка Analog Devices 2008 года хорошо известна и используется давно в конструкциях радиолюбителей, например этой.
Содержит VCO 2200 MHz — 4400 MHz. Делитель частоты VCO кратный 1/2/4/8 или 16 позволяет синтезировать частоты от 137.5 MHz до 4400 MHz. Неплохой фазовый шум (примерно -100 dBc/Hz, 10 kHz на частоте 1152 MHz). Разработка выполнена для применения в качестве LO SHF (трансвертер, маяк) на фиксированную частоту. Рекомендуемый диапазон частот: 550 — 4400 MHz. Если использовать делитель VCO больше чем на /4 нужно позаботиться о фильтрации выходного сигнала.
Конструкция синтезатора
Для разработки ПО приобретена демонстрационная плата. Плата содержит опорный генератор 25 MHz и требует внешний контроллер для управления регистрами. В качестве контроллера использован AVR Attiny13. Программа написана на С для AVR и позволяет записать 4 частоты, выбор которых осуществляется двумя перемычками (S1 и S2 на схеме).
Принципиальная схема LO-PLL-ADF4350 приведена на Рис. 1
Схема соответствует рекомендациям AD. Предусмотрено внутрисхемное программирование контроллера. В качестве стабилизаторов напряжения использовал 4 микросхемы lp2992im5-3.3. Четыре малошумящих стабилизатора позволяет полностью реализовать характеристики микросхемы PLL, гарантированные производителем (фазовый шум, спуры). На выходе синтезатора микросхема усилителя AG303-86. Захват ФАПЧ индицирует светодиод. Предусмотрен вход для внешнего опорного генератора.
Печатная плата размером 42 mm x 28 mm выполнена на материале FR4, 1 mm с металлизацией отверстий и маской. Предусмотрена установка защитного экрана из луженой жести. Питание платы 5 V +/-10%, потребляемый ток не более 140 mA. Для крепления платы в корпус предусмотрены 4 отверстия под винты М2. Корпус должен служить теплоотводом. С установленным экраном доступны вход питания 5 V, перемычки установки частоты (S1 и S2), вход внешнего опорного генератора, выход PLL и светодиод захвата ФАПЧ. Для программирования контроллера экран необходимо снять. Удобно использовать адаптер-зажим для корпуса soic8-sop8. С его помощью программатор подключается к Attiny13 без паяльника. Разъем для внутрисхемного программирования не устанавливал чтобы не увеличивать размер платы.
Область покрытия защитного экрана приведена на Рис. 2.2
Стабильность частоты PLL, и его максимально достижимый фазовый шум зависят от параметров опорного генератора. Частота ОГ должна быть в пределах 10 — 250 MHz, СПМШ не хуже -130 dBc/Hz, 1 kHz (зависит от частоты ОГ). В данной конструкции использован недорогой ТСХО с температурной стабильностью 0.5 ppm, -20 +70 C°, 10.000 MHz, SMD размеры 3.5 х 2.7 х 0.9 mm.
Такой ОГ подойдет для домашнего маяка, трансвертера 23cm тропо. Для SHF выше 23cm, EME WSJT необходим внешний ОГ с лучшей стабильностью. Внешний вид PLL представлен на Рис. 3
Программирование PLL
Евгений Ульянов – описание работы и программирование PLL
Программа написана на языке C в среде Atmel Studio 7.0. В качестве компилятора используется gcc версии 5.4.0.
Частоты могут задаваться в явном виде через директивы #define препроцессора. Таким же образом устанавливается частота ОГ.
При использовании генераторов с частотами 10.000 MHz, 13.000 MHz и 25.000 MHz гарантирована установка любой выходной частоты в пределах 550 — 4400 MHz с шагом 100 kHz.
Для установки выходной частоты с более мелким шагом или другой, в том числе дробной, частотой ОГ необходимо воспользоваться программой ADF435x (скачать) которая поможет рассчитать соответствующие значения INT, FRAC и MOD для конкретной выходной частоты с заданной частотой ОГ. В этом случае так же возможна установка выходных частот LO PLL под разные частоты ОГ.
После запуска программы ADF435x во вкладке «Select Device and Connection» необходимо выбрать нашу микросхему синтезатора — ADF4350, а затем открыть вкладку «Main Controls».
В поле «RF Frequency» вводим необходимую выходную частоту. Частоту ОГ вводим в поле «Reference Frequency». Если рядом с каким-либо полем отобразится восклицательный знак в желтом треугольнике — параметр выходит за допустимые пределы. Например, значение MOD получилось более 4095. Для устранения подобных явлений в большинстве случаев достаточно изменить значение поля «Channel spacing». Чем меньше значение — тем вероятнее столкнуться с подобной ситуацией. Поэтому при использовании исходного кода где расчет производится из явного задания частот препроцессором компилятора с помощью целочисленной арифметики, категорически не рекомендуется изменять значение шага перестройки в 10kHz!
Следует помнить, что возможность деления или умножения ОГ не реализована в программе. Так же не реализовано деление VCO более, чем на 4. При этом имеется возможность полного управления работой микросхемы синтезатора даже при отсутствии навыков в программировании. Для этого достаточно изменить, ориентируясь на datasheet, соответствующие значения параметров в блоках #define, описывающих содержимое управляющих регистров синтезатора. Например, для изменения значения «R Counter» с 1 на 6, необходимо заменить строку
#define ADF4351_R_COUNTER 1#define ADF4351_R_COUNTER 6Стоит помнить, что эти изменения повлияют на все выходные частоты!
Рассчитанные программой ADF435x значения INT, MOD и FRAC заносятся в определения для соответствующей выходной частоты. Например, для частоты F1 = 1152.030 MHz с ОГ = 25 MHz и значений INT = 92, FRAC = 203 и MOD = 1250:
#define ADF4351_INT_F1 92
#define ADF4351_FRAC_F1 203
#define ADF4351_MODULUS_F1 1250При этом необходимо указать и само значение частоты так как исходя из этого значения устанавливается соответствующий делитель VCO:
#define FREQ1 1152030
В архиве (скачать) находятся исходные коды для варианта с расчетом (adf4350_tiny13a.c) и варианта с прямым заданием значений INT, MOD и FRAC (adf4350_tiny13a_nocalc.c), а также готовый hex-файл прошивки для частоты ОГ = 10 MHz и выходных частот: 1151 MHz, 1152 MHz, 1296 MHz, 1297MHz.
При прошивке микроконтроллера необходимо запрограммировать фьюзы следующими значениями: low: 79, high: FF.
В качестве программатора можно использовать любой программатор для AVR, например usbasp.
Информацию об использовании программатора, установке и настройке ПО можно найти в сети Интернет. Для компиляции прошивки из исходного текста достаточно в среде Atmel Studio 7.0 создать новый проект «GCC C Executable Project», выбрать тип используемого микроконтроллера (attiny13a) и заменить содержимое автоматически сгенерированного файла main.c содержимым файла из архива. Затем переключить конфигурацию с «Debug» на «Release» и нажать кнопку F7. Если все сделано верно, то после компиляции в каталоге с проектом в директории «Release» будет находиться готовый к прошивке hex-файл.
В данной программе установка выходной частоты производится после подачи питания на плату LO PLL, а так же после изменения состояния перемычек, определяющих выходную частоту. Задержка перед загрузкой данных в регистры микросхемы ADF4350 после подачи питания составляет 500 ms.
Возможна доработка программы под другие задачи, например сканирование по двум или четырем частотам для многодиапазонного маяка.
| Технические характеристики LO PLL ADF4350 | |
|---|---|
| RF range: | 550 — 4400 MHz |
| TCXO stability: | Typ. +/– 0.5 ppm -20 +70 C° @ 10 MHz |
| Pre-installed configuration: | F1 = 1151 MHz (used by default) F2 = 1152 MHz (configure S1 = ON, S2 = OFF) F3 = 1296 MHz (configure S1 = OFF, S2 = ON) F4 = 1297 MHz (configure S1 = ON, S2 = ON) |
| PLL SSB PN @ 10 kHz Offset: | -100 dBc/Hz at 1152 MHz |
| Output power: | > 10 dBm |
| DC voltage: | 5 V +/–10% |
| DC current: | < 140 mA |
| PCB dimensions: | 42 mm x 28 mm |
Частоты программируются согласно вашим требованиям. Возможно любое сочетание частот опорного генератора и выходной PLL (в допустимом диапазоне частот, частота опоры 10 – 25 MHz (минимальный шаг 100 kHz), выходные частоты 550 – 4400 MHz (минимальный шаг 10 kHz)). Часть частот можно установить для работы с интегрированным ОГ, а часть для работы с внешним ОГ. В этом случае указывайте частоту опоры для каждой выходной частоты.
Примеры:
1. Пример установки целых частот. Частота ОГ = 10.000 MHz. Выходные частоты: F1 = 1296.000 MHz (PLL настроен по умолчанию на работу с F1) F2 = 1152.000 MHz F3 = 1268.000 MHz F4 = 2320.000 MHz
2. Пример установки дробных частот. Частота ОГ = 10.100 MHz. Выходные частоты: F1 = 1296.010 MHz (PLL настроен по умолчанию на работу с F1) F2 = 1152.010 MHz F3 = 1268.010 MHz F4 = 2320.010 MHz
3. Пример установки частот под разные частоты ОГ. F1 = 10.000@1151.000 (PLL настроен по умолчанию на работу с F1) F2 = 25.000@1151.000 F3 = 10.000@1296.000 F4 = 25.000@1296.000