Как сделать фазовый сдвиг

Обновлено: 22.01.2025

У нас на сайте уже была пара статей про PLL.
PLL - это, если говорить просто, встроенный в ПЛИС генератор тактовых частот. Он позволяет из одной входной тактовой частоты синтезировать несколько других с иной заданной частотой, скважностью и, при желании, с некоторым начальным сдвигом фазы.

Наша статья "Использование PLL" довольно подробно рассказывала как создать и настроить PLL в Altera Quartus II MegaWizard PlugIn-Manager. С тех пор прошло довольно много времени и теперь, в Quartus Prime, доступ к визарду осуществляется через пункт меню Tools => IP Catalog. Модуль PLL создается с помощью этого каталога. В нем выбираете Library => Basic Functions => Clocks; PLLs and Resets => PLL => ALTPLL. Остальные настройки - все как и раньше.

Сейчас я хочу рассказать о возможности динамически сдвигать фазу тактовой частоты PLL. Эта возможность есть в PLL таких FPGA, как Cyclone III, Cyclone IV, в MAX10 и других. Сказать по правде я и сам вот только что ознакомился с этой функцией в PLL. Просто раньше у меня в этом не было никакой необходимости, а сейчас появился проект, где это может понадобиться. Сдвиг фазы PLL - это похоже единственный способ аккуратно управлять задержками сигналов.

Итак, в визарде есть закладка под номером 2: PLL Reconfiguration. там внизу ставим галочку: Create optional inputs for dynamic phase reconfiguration.

Как только ставим галочку, то слева визард показывает блок PLL и в нем появляются новые входы и выходы, которых раньше не было.

phasecounterselect[2..0]
phaseupdown
phasestep
scanclk

С помощью этих сигналов можно управлять фазами любой выходной тактовой частоты PLL.

При этом, все операции по перенастройке PLL осуществляются на частоте scanclk. Она должна быть не выше 100МГц по документации MAX10. По другим FPGA нужно читать и уточнять - не знаю, думаю где-то так же.

Сигнал phasecounterselect[2..0] позволяет выбрать, какой именно из внутренних счетчиков PLL будет изменяться. В документации на PLL ПЛИС MAX10 есть вот такая таблица:

Таким образом, если нужно сдвинуть фазу выходной тактовой частоты c0, то нужно ставить phasecounterselect = 3'b010. Если сдвигаем по фазе тактовую частоту c1, то phasecounterselect = 3'b011.

Фазовый сдвиг выходной тактовой частоты инициируется установкой сигнала phasestep в логическую единицу. Это будет начало транзакции по сдвигу фазы. За одну "транзакцию" фаза избранной частоты сдвигается на один шаг фазы (об этом чуть позже). По окончании сдвига фазы тактовой частоты PLL выставляет сигнал phasedone. Если требуется сдвинуть фазу еще, то нужно сперва опустить phasestep в логический ноль, и затем опять установить в единицу, начиная следующую транзакцию.

Сигнал phaseupdown определяет направление сдвига фазы, вперед или назад.

Теперь главный вопрос: а на сколько собственно мы можем сдвинуть фазу тактовой частоты? В документации четко написано, что шаг фазового сдвига - это 1/8 периода частоты VCO PLL. VCO - внутренний генератор управляемый напряжением. К сожалению, в визарде PLL нет возможности явно выставлять желаемую частоту Fvco. Ее можно только посмотреть какая получится при наших настройках.

Например: если входная частота на PLL 100МГц и выходную частоту PLL я ставлю 100МГц, то визард сам говорит, что Fvco внутри PLL будет 600МГц.

Это значит, что разрешение по фазе, один фазовый сдвиг тактовой частоты можно сделать примерно на 7,5 градусов, то есть можно сдвинуть фронт частоты на 208,33 пикосекунд. А можно ли повысить разрешение?

Мне удалось подобрать вот такие коэффициенты:

выход PLL c0, коэффициент умножения 98, коэффициент деления 99, результирующая частота ~98.974359МГц
выход c1 - такая же, с коэффициентами 98/99
выход c2 - 91/99, выходная частота примерно 91.904762

При этом я вижу, что Fvco = 1286,666МГц, а разрешение по фазе стало 97,15 пикосекунд. Это очень высокая разрешающая способность по фазе.

В документации на PLL есть вот такая временная диаграмма, показывающая, как производится динамический сдвиг фазы:

Я предлагаю, попробовать просимулировать это дело в ModelSim.

Делаю простой проект в Intel Quartus Prime Lite, где нет практически ничего, кроме одной PLL и простейшей логики, которая периодически сдвигает фазу выходной частоты c1. Модуль верхнего уровня проекта я написал на Verilog:

module top(
input wire KEY0,
input wire KEY1,
input wire CLK100MHZ,
inout wire [19:0]IO,
output wire [7:0]LED
);

wire wc0;
wire wc1;
wire wc2;
wire wlocked;
wire wpdone;
reg phase_step = 1'b0;

mypll mypll_ (
.areset( 1'b0 ),
.inclk0( CLK100MHZ ),
.phasecounterselect( 3'b011 ),
.phasestep( phase_step ),
.phaseupdown( 1'b1 ),
.scanclk( wc0 ),
.c0( wc0 ),
.c1( wc1 ),
.c2( wc2 ),
.locked( wlocked ),
.phasedone( wpdone )
);

reg [3:0]cnt = 0;
always @( posedge wc0 )
cnt

always @( negedge wc0 )
if ( cnt==4'hF )
phase_step
else
if ( wpdone==1'b0 )
phase_step

assign LED = 0;
assign IO[0] = wc0;
assign IO[1] = wc1;
assign IO[19:2] = 0;

Я делаю проект как бы для платы Марсоход3bis и чипом ПЛИС MAX10. Поэтому у меня здесь есть входные сигналы KEY0 и KEY1, которые сейчас не используются, но пусть будут.. Выходные сигналы LED не используются, но на выходы IO[0] и IO[1] я вывел выходы c0 и c1 из PLL. Это чтобы их удобно было наблюдать в симуляторе.

Здесь в проекте все процессы происходят на частоте c0, и эта же частота подается на scanclk. По спаду этой же частоты устанавливается и сбрасывается phase_step.

Тестбенч для симуляции не делает ничего особенного, ну вот только подает на тестируемый модуль исходную тактовую частоту 100МГц.

` timescale 1ns / 10ps

wire [7:0]w_led;
wire [19:0]w_io;

top top_inst(
.CLK100MHZ( clk ),
.KEY0( 1'b1 ),
.KEY1( 1'b1 ),
.IO( w_io ),
.LED( w_led )
);

Поскольку я хочу посмотреть на довольно малые сдвиги фаз тактовых частот, то я бы, конечно, хотел провести временную симуляцию проекта в ModelSim. Для этого я указал в настройках проекта, что я буду использовать ModelSim-Altera для симуляции. При этом я ожидал увидеть сгенерированные выходные файлы проектов типа SDO или SDF.

К сожалению мой квартус иного мнения.

Ну ладно, пробую так. Создаю в ModelSim новый проект и библиотеку work, добавляю в нее мои два файла tb.v и top.vo, компилирую их в ModelSim. В начале симуляции нужно еще указать используемые библиотеки: altera_mf_ver, altera_ver и fiftyfivenm_ver. Подробнее о симуляции PLL в ModelSim можно посмотреть вот здесь.

Что я вижу на временных диаграммах: Модуль top периодически выставляет сигнал phase_step и PLL отвечает коротким импульсом в ноль сигналом phasedone.

Если сделать zoom и попытаться рассмотреть подробнее фазы тактовых частот, то сразу становится видно, что фаза сигнала IO[1], который у меня подключен к выходу PLL с1 уходит вперед сразу после сигнала phasedone:

Получается, что в симуляции я уже могу видеть как сдвигается фаза тактовой частоты. Кстати, обратите внимание, насколько мал шаг фазы по сравнению с периодом самой частоты. Эффект сдвига фазы можно попробовать использовать в схемах измерения задержки синалов, в рефлектометрах и прочих измерителях.

Я постараюсь сделать проект простого измерителя, который сможет оценивать задержку распространения сигнала с точностью около 100 пикосекунд.

phasecounterselect[2..0]
phaseupdown
phasestep
scanclk

С помощью этих сигналов можно управлять фазами любой выходной тактовой частоты PLL.

Сигнал phaseupdown определяет направление сдвига фазы, вперед или назад.

Мне удалось подобрать вот такие коэффициенты:

выход PLL c0, коэффициент умножения 98, коэффициент деления 99, результирующая частота ~98.974359МГц
выход c1 - такая же, с коэффициентами 98/99
выход c2 - 91/99, выходная частота примерно 91.904762

Я предлагаю, попробовать просимулировать это дело в ModelSim.

module top(
input wire KEY0,
input wire KEY1,
input wire CLK100MHZ,
inout wire [19:0]IO,
output wire [7:0]LED
);

wire wc0;
wire wc1;
wire wc2;
wire wlocked;
wire wpdone;
reg phase_step = 1'b0;

reg [3:0]cnt = 0;
always @( posedge wc0 )
cnt

always @( negedge wc0 )
if ( cnt==4'hF )
phase_step
else
if ( wpdone==1'b0 )
phase_step

assign LED = 0;
assign IO[0] = wc0;
assign IO[1] = wc1;
assign IO[19:2] = 0;

` timescale 1ns / 10ps

wire [7:0]w_led;
wire [19:0]w_io;

top top_inst(
.CLK100MHZ( clk ),
.KEY0( 1'b1 ),
.KEY1( 1'b1 ),
.IO( w_io ),
.LED( w_led )
);

К сожалению мой квартус иного мнения.

Сдвиг фаз — разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой. Сдвиг фаз является величиной безразмерной и может измеряться в радианах (градусах) или долях периода. При неизменном, в частности нулевом сдвиге фаз говорят о когерентности двух процессов. Фазой (фазовым углом) называется угол φ = 2 π t T , >,> где T — период, t — доля периода смещения по фазе при наложении синусоид друг на друга. Так что если кривые (переменные величины — синусоиды: колебания, токи) сдвинуты по отношению друг к другу на четверть периода, то мы говорим, что они смещены по фазе на π 2 ( 90 ∘ ) , >~(90^),> если на восьмую часть (долю) периода — то, значит, на π 4 >> и т. д. [1]
Когда идёт речь о нескольких синусоидах, сдвинутых по фазе, техники говорят о векторах тока или напряжения. Длина вектора соответствует амплитуде синусоиды, а угол между векторами — сдвигу фаз. Многие технические устройства дают нам не простой синусоидальный ток, а такой, кривая которого является суммой нескольких синусоид (соответственно, сдвинутых по фазе).

Для измерения сдвига фаз между двумя электрическими сигналами применяется электроизмерительный прибор — фазометр.

Фазовый детектор — устройство, которое сравнивает фазы двух входных сигналов и формирует сигнал, пропорциональный разности их фаз.

В электротехнике сдвиг фаз между напряжением и током определяет коэффициент мощности в цепях переменного тока.

В радиотехнике широко применяются RC-цепочки, которые сдвигают фазу входного и выходного сигнала RC-цепочки в зависимости от параметров сопротивления и ёмкости в цепи. Применяется в RC-генераторах.

Наведённая во вторичных обмотках идеального трансформатора ЭДС для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке. При противофазном включении обмоток трансформатор изменяет полярность мгновенного напряжения на противоположную, в случае синусоидального напряжения сдвигает фазу на 180°. Применяется в генераторе Мейснера и др.

Чем отличается постоянное напряжение от переменного

В то же время, в типовых электрических розетках два контакта, предназначенных для протекания тока, являются абсолютно одинаковыми, что позволяет вставлять вилку в розетку двумя способами. При этом ни о какой полярности подключения при использовании бытовых электроприборов речи не идет. Это связано с тем, что напряжение в электрических розетках постоянно меняет свою величину. Если взять, например, некоторый идеализированный вольтметр, способный мгновенно проводить измерения, и определить напряжение в розетке, то окажется, что в разные моменты времени оно будет принимать совершенное разные значения (Рисунок 2). То есть в определенное время полярность напряжения в розетке будет условно положительной, в другое – условно отрицательной, а в некоторые моменты напряжение будет вообще равно нулю.

Рисунок 2.

Мгновенное значение напряжения в розетке в разные моменты времени.

Однако изменить устоявшуюся терминологию, зафиксированную во многих нормативных документах, уже невозможно, поэтому придется привыкать, что переменное напряжение – это напряжение постоянно (!) меняющее свою полярность и величину, а постоянное напряжение может менять свою величину, но не может менять полярность, то есть тоже не является, в абсолютном смысле слова, постоянным.

Ключевые особенности переменного напряжения

Итак, батарейка является источником постоянного напряжения, а электрическая розетка – переменного. Но почему для мощных энергосистем был выбран именно этот способ передачи энергии, ведь большинство электроприборов, в том числе и электронное оборудование, от источников переменного напряжения принципиально работать не могут и требуют дополнительного преобразования переменного напряжения в постоянное?

В предыдущей части цикла было показано, что для передачи электрической энергии на большие расстояния напряжение линий электропередач приходится многократно изменять – и повышать, и понижать. Но из-за того, что изменить величину постоянного напряжения не так просто, протяженность первых энергосистем не превышала 1.5 км – стоимость проводов и преобразователей для передачи энергии на большие расстояния была в то время очень высокой.

Рисунок 4.

Устройство и принцип работы трансформатора.

А вот величину переменного напряжения можно легко изменить с помощью трансформаторов, имеющих очень простую конструкцию. Простейший трансформатор состоит из магнитопровода (его часто называют сердечником) и двух обмоток (Рисунок 4). Если одну из обмоток подключить к источнику напряжения, то в ней начнет протекать ток. Этот ток создаст в магнитопроводе магнитный поток Ф, который, согласно закону Фарадея, приведет к появлению на выводах всех обмоток ЭДС самоиндукции e:

где N – количество витков обмотки.

Обратите внимание, что ЭДС может возникнуть только при условии постоянного изменения магнитного потока Ф. Если подключить обмотку трансформатора к источнику постоянного напряжения, тогда магнитный поток изменяться не будет [2] (поскольку dФ/dt = 0), и ЭДС исчезнет [3].

А вот если подключить обмотку трансформатора к источнику переменного напряжения, тогда магнитное поле в магнитопроводе будет постоянно изменяться, и на других обмотках трансформатора, согласно формуле (1), возникнет ЭДС, форма которой будут соответствовать форме первичного напряжения. Таким образом, с помощью трансформатора можно энергетически связать две электрически изолированные цепи, передавая энергию через магнитное поле.

Важным свойством трансформатора является возможность простой регулировки выходного напряжения, поскольку для идеального (без потерь) устройства выполняется одно простое условие:

где V₁, V₂, N₁, N₂ – соответственно, напряжения и количество витков первой и второй обмоток.

Из формулы (2) видно, что напряжение на выходе трансформатора определяется соотношением числа витков обмоток N₂/N₁, называемым коэффициентом трансформации:

Если количество витков вторичной обмотки больше количества витков первичной (N₂ > N₁), тогда трансформатор будет повышать напряжение, а если наоборот (N₂

Сноски

1) Существует ряд схем, например, делители напряжения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, позволяющих изменить величину постоянного напряжения без дополнительных преобразований. Однако эти схемы принципиально не могут увеличить напряжение. Кроме того, их КПД напрямую зависит от соотношения входного и выходного напряжения и может оказаться недопустимо малым.

3) На самом деле, магнитные процессы в трансформаторе намного сложнее. В частности, магнитный поток Φ не может резко измениться. Поэтому сразу после подключения обмотки трансформатора к источнику постоянного напряжения магнитный поток будет нарастать в течение некоторого времени, что приведет к появлению ЭДС, однако рано или поздно она исчезнет.

4) Мерцание света при освещении вращающихся объектов может привести к стробоскопическому эффекту – когда кажется, что объект неподвижен, в то время как он вращается с большой скоростью. Это явление может быть как полезным (используется, например, в электропроигрывателях для установки скорости вращения диска), так и опасным для жизни (например, при освещении рабочих мест станков).

5) Это справедливо для мощностей больше 1 кВт. При меньших мощностях дешевле использовать однофазные системы.

Читайте также: