Здравствуйте,

Я совсем начинающий и интересуюсь можно ли в принципе сделать устройство на AVR которое бы управлялось от персонального компьютера через порт RS-232 и генерировало короткий прямоугольный РЧ импульс (с частотой в пределах от 1 до 10 МГц) определённой длительности (в пределах от 1 до 500 микросекунд), определённой амплитуды, и повторяющийся через определённый интервал (в пределах от 1 секунды до минуты) - то есть это серия равноотстоящих РЧ импульсов.
Пользователь компьютера должен иметь возможность через пользовательский интерфейс задавать значение амплитуды, радиочастоты импульса, частоты повторения импульсов (величина обратная длительности повторения импульсов), длительности импульса в указанных пределах.
Требуемая точность для частот - до 1 Гц, для длительности импульса - 0.5 микросекунды.

Подходит ли AVR для такой задачи? Если да, то какой AVR посоветуете?

P.S. Какое минимальное время нарастания (rise time и fall time) фронтов прямоугольного импульса можно получить используя AVR?

Генерируемые импульсы потом надо будет усилить усилителем мощности и каждый импульс должен выглядеть после усиления никак не хуже (а то и лучше в том смысле что rise time и fall time должны быть покороче) чем показанный на картинке (жёлтый, сверху).

Нет

Посоветуем DDS (или отдельный интегральный, или реализованный в FPGA).

1. Не только avr неподходит, для этой цели разве только высокочатотные arm да и то замороки с ним будут неслабые (это уже не радиогубительская конструкция).
2. Кроме с синтезатором частоты других доступных "наколенных" вариантов на мой взгляд нету.
3. Требуемую точность в 1 Гц не получите.
4. После усиления это будет уже не прямоугольник и нечто, по форме напоминающее синусоиду т.к. на высоких частотах надо будет вводить в усилитель резонансные цепи (контура). Про "лучше" я вообще молчу.
5. Чтоб настраивать, а тем более разрабатывать такую технику нужно оборудование, как минимум достаточно высокочастотный осциллограф.
6. Необходимы навыки низко- и высокоуровневого программирования под ПК и микроконтроллеры, навыки разводки печатных плат с учётом ЭМС.
7. Что-то я нигде не увидел амплитудных параметров выходного сигнала, хотя а оно вам надо вообще?

Спасибо большое за полезные ответы. Помогли разобраться.

Спасибо.

А нельзя ли более развёрнуто раскрыть это, например - каких именно возможностей AVR недостаточно для этого проекта?

Тама нету ЦАПа.
А если взять внешний ЦАП то тогда, будет нехватать тактовой частоты. Её надо как минимум раз в 10 больше.

Шепну вам всем по секрету, что путем небольшого обвеса решить задачу топикстартера легко. Для этого необходимо:
1. Вместо кварца поставить LC-контур c варикапом. Обеспечить двухкратный диапазон перестройки тяжеловато, но можно. Вариант - использовать подходящий VCO. После получения двухкратного диапазона остальное решается прескаллером.
2. От подходящего вывода проца включить интегратор, выход интегратора завести на варикап.
3. Подключить к нужным ногам проца кварц 32768 (его использовать как задающий).
3. Написать софт, выполняющий собственно функции (Ф)АПЧ.
4. При помощи Output Compare вывести Fcpu/2.

Есть тонкость - надо обеспечить, чтобы перестройка не изменяла частоту процессора за один такт более чем на 2%, т.е. была ограничена.

AVR можно применить как управляющий контроллер. На нем можно реализовать большинство требуемых функций:
1. Модулятор через UART.
2. А синтез частоты проводить с помощью ГУНа. ГУН настраивать на нужную частоту с помощью ЦАП того же МК заводя на него поделенный синтезируемый сигнал. ЦАП для управления ГУНа может быть медленным (скорее всего подойдёт резистивная матрица R-2R подключенная к ногам МК)
3. Выходной сигнал делить аттенюатором, также управляемым от МК (резистивный делитель на нескольких реле)

Идея как всегда обалденная
Но есть одно НО.
В условиях задачи есть требование, чтобы все это управлялось от компьютера.
По какому интерфейсу вы предлогаете это делать?
Если только параллельный с еще одним контроллером, у которого тактовая фиксированная. И который будет мостом UART<->Parallel.

Но при этом теряется задумка одночипового устройства.

стоит еще требование с точностью до 1 Гц, а про дрожание частоты никакого разговора нет. с точностью до герца получить даже на гун проблематично, задающий генератор очень должен быть качественным чтобы такое обеспечить.

Это можно забыть в любом случае, тут топикстартер неподумавши такое требование огласил. Оно ему нафиг не надо



По тому же UART'у. Как только изменили частоту и петля (Ф)АПЧ перешла в режим слежения, то можно перестроить UART на требуемую скорость.

У AVR дискретность перестройки частоты слишком большая, если только использовать маленькие скорости UART : 600, 1200

Никто не мешает сделать программный UART, если надо быстрее

Ну уж нет.

Если можно добиться точности генерируемой частоты порядка 1 Гц методом direct digital synthesis на ПЛИС то буду делать на ПЛИС.

Именно что да. Даже отбросив вопросы чисто схемотехники, необходимо поднять вопрос о наличии источника опорной частоты с точностью 10^-9...10^-10. Раааааз Требования к спектральным характеристикам импульса в студию (про джиттер тут уже намекали) - дваааа

Почти точность цезиевого стандарта частоты
А я то думал использовать сигнал clock на Xilinx Microblaze 1600E development kit (на картинке), а у него частота 50 МГц с точностью до 2500 Гц как указано в руководстве. Пожалуй Вы правы.




Мне самому это надо уточнить. Пока только могу сказать более менее точно что если rise time и file time были бы менее 50 нс то это было бы отлично.

P.S. Вообще у меня ещё есть генератор сигналов специальной формы GFG-3015 который может генерировать 1 Гц с абсолютной погрешностью установки частоты 0.05 Гц. И мой набор от Xilinx имеет разьём для внешнего clock.

Какое именно время rise и fall Вас интересует? Время нарастания/спада на выводах AVR при переключении измеряется наносекундами (если емкость нагрузки мала).

Имелось ввиду rise time и fall time фронтов прямоугольного РЧ импульса.

Огибающей?

Да.

А тут нет противоречия в условиях? Например длительность 1 мкс и частота 1 МГц. Что за радиоимпульс, если в него только 1 период помещается? А точность в 1 Гц? Чтоб такую точность почувствовать, то надо мерить радиосигнал не менее 1 сек, а тут 500 мкс максимум задано!
Как говаривал один персонаж, "вы задаете нереальные условия, это волюнтаризм"

Противоречия нет, ничего что один период. Длительность импульса в 1 мксек это как раз самое малое значение, в обычном рабочем режиме длительность будет около 10 мксек и частота больше чем 1 МГц.



В устройстве будет три РЧ выхода - clock, cw и pulse. На выходе cw - РЧ сигнал (не импульс) а на выходе pulse - импульс. Поскольку на выходе cw данных больше чем на выходе pulse то и частоту лучше измерять на cw.

По вашему ТЗ выходит что ширина спектра радиоимпульса от 2 кГц до 1 МГц, так чем технически обоснуется точность 1 Гц? Вы пока указали только одну причину - то что просто хочется.

Этот импульс должен возбудить высокодобротную резонансную систему с шириной частотной характеристики порядка 1 Гц. Конечно, в идеале энергия импульса не должна теряться поэтому я стараюсь обдумать вариант с точностью установки частоты именно в 1 Гц. Но я согласен, импульс с широким спектром всё равно должен возбудить такую резонансную систему даже при некоторой расстройке частоты. Пока ещё не решил окончательно с точностью установки частоты но предварительно это 1 Гц.

Ну уж извините, для 1 Гц на 1 МГц точность 1 ppm. А для 0.05 Гц на 1 Гц это уже 50000 ppm. В обоих случаях может быть один тактовый сигнал 1 МГц. а точность может отличаться в существенные разы

А если умножить частоту 1 Гц заданную с точностью 0.05 Гц до МГц диапазона то как измениться точность частоты?

Никак.

Для случая 1Гц точность 1 ппм составляет 0.000001 Герца.

Здравствуйте все.

Если добавить синтезатор (как предлагалось выше), то теряется идея «однокорпусного» устройства.
С другой стороны термостатированный кварц и коррекция значений
под конкретный кварц может дать приличную точность (опробовал для 500 МГц).
Но насчет герцовой точности сильно сомневаюсь, надо попробовать. Еще и измерить

Еще вопрос к знающим. Ногами не бить.
Если меандр с МК окатать фильтром в половину частоты и далее использовать для усиления?


Мне думается, что в данном случае ширину спектра будет определять ширина спектра,
которую автор темы стремится сделать минимальной. Откуда из ТЗ следует 1 МГц?

Если никак то после умножения частоты получится сигнал в МГц-ом диапазоне с точностью порядка 0.05 Гц. А мне достаточно точности около 1 Гц.

Добавлю. «Измерить», наверное, можно, возбуждая ту самую высокодобротную резонансную систему, погуляв синтом вокруг.

Точность в герцах умножается вместе с частотой, а в относительных единицах остается на месте

Спектр РЧ импульса шириной 1 мксек будет уширен относительно частоты заполнения (скажем 8 МГц) импульса на величину обратную своей ширине, то есть 1 МГц. Получается спектр с центральной частотой 8МГц и шириной 1 МГц. Но эта центральная частота имеет гораздо большую амплитуду чем другие частоты в спектре.



Тогда точность в 1Гц мне будет только снится ...

P.S. Спасибо что помогаете мне уточнить моё же ТЗ.



А она "вырежет" свою часть спектра и всё. Такую систему можно даже стохастически возбудить - шумом, только сигнал надо долго накапливать и усреднять.

Тогда тем более непонятно, к чему такая точность.

Хотелось передать энергию РЧ импульса точно в резонанс, с минимальными потерями.

А какова добротность вашей подопытной системы? От нее и надо плясать в задании точности генерируемой частоты

Если определять добротность пользуясь отношением частоты резонанса к ширине резонансной кривой (как обьяснено на картинке) то получается что добротность равна 10^7 (для частоты 10МГц и ширины спектра 1 Гц).

А что это за система с такой добротностью? Не эталон частоты какой-нибудь?
Если у нее ДЕЙСТВИТЕЛЬНО такая добротность, то тут нужны немного другие измерительные приборы

Господа, несмотря на изящество и эффективность предложенных тут идей все немного забыли вот об этом требовании:

Чем усиливать будем? До какой амплитуды, на какую нагрузку и т.п.

При погрешности 1Гц на 10МГц получается точность опорного генератора должна быть 0.1ppm -
а это уже тянет на опорник от Мориона с двойным термостатированием за 300 баксов и
со схемой компенсации старения путём подстройки его частоты от GPS или Глонасса.
По моему - это будет самая дорогая часть схемы.
Ну а дальше либо ПЛИС с внешним ЦАПОМ либо готовый ДДС.

А насчёт усиления на такие частоты можно операционник поставить быстрый, а если уж совсем мощное чтото надо - то приделать ему двухтактный умощнитель и для линейности охватить всё эмто хозяйство цепью ООС.

У эталонов частоты добротность ещё выше на несколько порядков. Но это действительно квантовая резонансная система (образец вещества) поэтому у неё такая высокая добротность.




Вот такая амплитуда как у импульса (жёлтый, сверху) на первой картинке устроила бы вполне (на 50 Ом нагрузку). Там peak-to-peak voltage около 200 вольт.

Попробую использовать усилитель на MOSFET IRF840 (как на второй картинке; там то что слева от конденсатора С9 это цепь для формирования РЧ импульса а остальное - сам усилитель). Его ещё надо доработать так что критика приветствуется! Пока что смоделировал его в LTspice и получился вот такой усиленный импульс (третья картинка). Спектр этого (усиленного) импульса на 4-й картинке а на 5-й увеличенный фрагмент на основной (РЧ) частоте импульса в 10 МГц.



Спасибо. Про опорник от Мориона узнаю поподробнее - может и в самом деле пригодится в будущем. Но как мне уже обьяснили с точностью в 1 Гц я перегнул и с этим я теперь согласен ведь проще будет возбудить систему достаточно широким спектром РЧ импульса.
Так что скорее всего буду делать на ПЛИС с использованием его clock а потом усиливать до нужного уровня.

Обычно используют квадратурный детектор, у него на входе 2 сигнала - резонансный отклик квантовой системы и РЧ сигнал (cw) а на выходе сигнал с разностной частотой (частота отклика квантовой системы минус частота РЧ сигнала). Разностная частота обычно в пределах сотен килогерц, а иногда и того меньше. Этот разностной сигнал оцифровывают, затем преобразование Фурье и спектр квантовой системы готов. Вот для примера картинка измеренного спектра (резонансной кривой) одной из таких квантовых систем с резонансной частотой 600 МГц (она не показана а показана только разностная частота, она около 3190.2 Гц) и шириной 0.35 Гц (измеренной на уровне полувысоты резонансной кривой).
То есть у этой квантовой системы добротность около 1.714*10^9 (делим 600 МГц на 0.35 Гц). Много конечно, но методом квадратурного детектирования такую кривую можно получить и с обычными приборами.

P.S. Этот спектр здесь только для примера а вообще я обычно измеряю отклики подобных квантовых систем на меньших радиочастотах - до 10 МГц. У них и добротность поменьше - порядка 10^7.

На сайте Морион долговременная НЕстабильность одного из термостатированных кварцев измеряется в 10^-9 в год, а если мне допустим нужен кварц со стабильностью 0.001ppm в минуту то можно ли как то переводить эти единицы - нестабильность в год и стабильность в минуту, одну в другую?

Если нужны точные абсолютные частоты, то генератор РЧ должен обеспечивать требуемую точность, а это и есть 'немного другие' приборы. Об AVR и прямом генерировании РЧ частоты речи не идет

10^-9 это и есть 0.001ppm, и если они гарантируют это за год, то уж за минуту она (частота) никуда не денется

Спасибо что помогли разобраться.

В общем я ещё раз обдумал требования к моему устройству и получается что мне нужен будет внешний clock на частоту 50 МГц с точностью установки 0.001ppm в минуту. Стабильность частоты на год совсем не требуется поскольку время измерения на моём устройстве меньше минуты.

Я думаю не получится. Эсли она "высокодобротная" то и "раскачиваться" будет долго. Во всяком случае в связной технике это наблюдал: чем уже полоса и выше добротность, тем дольше надо "раскачивать" цепи сосредоточенной селекции.. Даже если в тракте не старорежимные LC, а новые узкополосные фильтры на переключаемых конденсаторах.

К сожалению не в курсе связной техники но вот в радиоспектроскопии такие системы хорошо раскачиваются.

ЯМР сочиняете?

Да, нужно разработать новый программатор импульсов.

у нас прибор мегагерцовый, для задачи частоты использовал DDS AD9834. пачки импульсов генерировала мега169, она же управляла ацп и юсб. опять же квадратурный детектор, для которого нужна линия задержки, чтобы один канал загонять в 0. Мне непонятно, зачем такой широкий диапазон? Чтоли универсальный контроллер под разные магнитные системы делаете?

Диапазон от 1 до 10 МГц не такой уж и широкий для ЯМР протонов. По сравнению с Apollo, например, так это очень узкий диапазон.