Ayuda para traducir la restricción de diseño de fluctuación en un diseño de sintetizador de frecuencia con circuitos integrados 4046 y 4017

Estoy tratando de diseñar un sintetizador de frecuencia con los circuitos integrados 4046 y 4017 de la vieja escuela, con un factor de escala N = 1,5,7,10.

La señal de entrada es una onda cuadrada con frecuencia ajustable de 1 kHz a 10 kHz.

Quiero obtener una fluctuación de tiempo <1% del período.

Soy novato en el diseño de PLL, así que he hecho lo único posible: estudiar. Ya conocía la teoría del control, los filtros, la ganancia de bucle, la estabilidad, etc., pero todavía no entiendo por dónde empezar en el diseño para lograr el rendimiento deseado. Muchos libros afirman que el diseño debe comenzar desde el ancho de banda de bucle cerrado, pero ¿cómo relaciono esto con la fluctuación de fase? He leído sobre el cálculo de la fluctuación de tiempo RMS a partir del ruido de fase, pero la hoja de datos del 4046 no tiene datos sobre el ruido de fase de VCO (por ejemplo) y no tengo información sobre el ruido de fase de origen (el proyecto es para la universidad y el profesor no no me des más información).

Por favor, si pudiera ayudarme, literalmente no tengo ninguna idea sobre cómo continuar.

La teoría de control y las especificaciones de sus componentes le darán el ruido de fase en dBc/sqrt (Hz). Luego deberá decidir qué banda de compensación es importante para usted e integrar el ruido de fase para obtener la fase en unidades de tiempo. La mejor manera es usar (o escribir) algún software para hacer los cálculos, luego ajustar las entradas hasta que obtenga el rendimiento que desea.
El 4046 que aparece en www.badbeetles.com tiene un RC VCO. No hay una especificación para el ruido de fase en ninguna hoja de datos que haya visto. Puede improvisar haciendo una estimación del ruido en el pin 6 y el pin 7. Este ruido de amplitud produce ruido de fase en el pin 4. El ruido de fase le dará su fluctuación. En otras palabras, el VCO tiene alguna conversión de AM a PM.

Respuestas (1)

Definiré la fluctuación de fase específicamente como la fluctuación de ciclo a ciclo, es decir, la variación de tiempo de un ciclo al siguiente en comparación con un período de ciclo perfecto. Esta es una definición común de jitter y me permitirá explicar la relación entre eso y el ruido de fase.

Tenga en cuenta que una medición de fluctuación de ciclo a ciclo es un retraso y resta a un ruido de fase o, de manera equivalente, un proceso de medición de tiempo. Compara el tiempo en un borde con el tiempo en el borde anterior y lo resta para obtener el ciclo a ciclo de fluctuación. También tenga en cuenta que el tiempo está relacionado con la fase de la siguiente manera:

T mi = ϕ mi T pag 2 π

Dónde

T mi = error de tiempo en segundos

ϕ mi = error de fase en radianes

T pag = tiempo de ciclo de un período de reloj

Un proceso de retraso y sustracción es un filtro de paso alto de primer orden con una esquina en 1/T donde T es la duración del retraso en segundos. Puede ver esto intuitivamente si considera las compensaciones de frecuencia más altas y más bajas para el ruido de fase. Las compensaciones de frecuencia más bajas representan fluctuaciones de fase frente al tiempo que se mueven muy lentamente, tan lentamente que después de nuestro retraso finito de un ciclo, la fluctuación no ha cambiado (por lo tanto, el mismo error en el siguiente ciclo); cuando restamos para medir la fluctuación de ciclo a ciclo, el error será cero. Sin embargo, las fluctuaciones más rápidas no estarán correlacionadas y, de hecho, duplicarán el valor rms de acuerdo con la adición (o sustracción) de fuentes de ruido iguales y no correlacionadas.

Esto se muestra en la figura a continuación, y este filtro de paso alto es efectivamente lo que se aplica a la densidad espectral de potencia de ruido de fase en el proceso de medición de fluctuación de ciclo a ciclo. Por lo tanto, si toma la densidad espectral de potencia de ruido de fase unilateral $S_{\phi}(f)$, aplica este filtro unipolar efectivo (¡junto con el factor de +3 dB!) y luego integra la densidad espectral de potencia resultante, obtendrá una varianza resultante. ¡La raíz cuadrada de esta varianza después de convertirla en error de tiempo usando la primera fórmula que di será igual a su fluctuación rms de ciclo a ciclo!

ingrese la descripción de la imagen aquí

Matemáticamente todo lo que describí sería lo siguiente:

τ r metro s = T pag 2 π 2 ∫ F L F H S ϕ ( F ) ( 1 s + 1 T ) 2 d F

Donde en aplicaciones prácticas, $f_L$ es típicamente 2 décadas menos que la frecuencia de esquina establecida por 1/T y $f_H$ es el ancho de banda de medición del sistema.

¡Wow gracias! Había perdido cualquier esperanza de que alguien hubiera respondido a esto. ¿Tienes alguna referencia sobre el tema? He notado una falta decepcionante de recursos (claros) sobre el modelado de fluctuaciones
Lo que les mostré se me ocurrió por mi cuenta y lo confirmé con mediciones de laboratorio para que coincidieran, pero podría haber fallas residuales. Aquí hay algunas otras referencias que he recopilado sobre la fluctuación de fase que pueden ayudarlo: "Análisis de fluctuación de fase: el modelo dual de Dirac, RJ/DJ y escala Q", Ramson Stephens, Agilent Technologies. "Comprensión de las mediciones de fluctuación total con bajas probabilidades", Stephen Didde, Agilent Technologies (obtenido de Agilent Measurement Journal, lamentablemente sin fecha). "Características poco conocidas del ruido de fase", por Paul Smith, RF Design, marzo de 2004 (www.rfdesign.com).
"Predicción de efectos de ruido de fase en sistemas de comunicaciones digitales" Mark Kolber, Microondas y RF, septiembre de 1999
En mi propia prueba en un PLL de 67 MHz, medí el ruido de fase con un analizador de espectro y luego proporcioné la "cancelación de ruido de fase" como se describe anteriormente debido a una medición de ciclo a ciclo, integré el resultado y lo convertí a tiempo para obtener 16.9 ps estar nervioso. Medí lo mismo con un visor Lecroy (que tenía un piso de ruido de jitter de 2ps) y medí 17.8 ps. Teniendo en cuenta el ruido de fondo de 2 ps, el pronóstico fue, por lo tanto, de 17,0 ps y el medido de 17,8 ps. ¡Nada mal!
Luego, mirando mis notas, lo que hice específicamente fue determinar rho a partir de una aproximación de la correlación de dos señales retrasadas en el tiempo usando
ρ = 1 1 + ( 4 ∗ π F T ) 2
luego usó una tasa de cancelación definida como
1 − ρ
que es la cantidad en que el ruido de fase medido en el espectro se elimina de la medición de la fluctuación de fase en una medición de dominio de tiempo de ciclo a ciclo. Luego agregué 3dB adicionales para tener en cuenta la suma de ruido como se describe anteriormente. También puse entre paréntesis que necesito confirmar la relación de correlación, ¡pero los resultados fueron muy buenos!
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