СХЕМОТЕХНИКА ВД-БОС
На рис.15, 16 приведены две на-
иболее простые схемы выделения
синхросигнала RCLK из входного ин-
формационного сигнала -RAWR.
Для примера рассмотрим принцип
работы схемы рис.15 по временным
диаграммам рис.17.
Предположим, что вначале вход-
ной сигнал -RAWR не содержит
фазовых сдвигов. Расстояние меж-
ду импульсами в точности равно 4
(6, 8) мкс, длительность — 250 нс
(рис.176).
В момент времени "А" в счетчик
DD1 по фронту сигнала FCLK со вхо-
дов D8, D4, D2, D1 записывается дво-
ичное число "0101" (десятичное "5").
Далее состояние счетчика каждый
раз увеличивается на единицу по
фронту тактовых импульсов FCLK.
В момент прихода следующего
импульса -RAWR (точка "В") состоя-
ние
счетчика должно измениться с "4"
на "5", что как раз совпадает с числом,
(Продолжение. Начало в NN4-5/99)
Далее, предположим, что в ре-
зультате действия помех первый
импульс -RAWR получил фазовый
сдвиг +0,125Т, а второй импульс--
0,125Т (рис.17г). В точке "С" вместо
числа "7" в счетчик будет записано
число "5", т. е. происходит добавле-
ние двух лишних импульсов. В точке
"D" — наоборот, происходит вычита-
ние четырех импульсов.
В результате сигнал -RAWR все
еще находится внутри "окна детекти-
рования", но на самом пределе у ле-
вого края (t3). Например если сдви-
нуть точку "D" влево на очередные
250 нс, то временные соотношения
для ВГ93 (рис.14) уже перестанут
выполняться.
Рассмотрим зеркальный вари-
ант, когда первый импульс -RAWR
получает отрицательный, а второй
импульс — положительный фазовый
сдвиг. Оказывается, что в этом слу-
чае запас "окна детектирования" бу-
дет несколько меньше —+0,062Т... -
0,125Т.
Таким образом, для схемы на
рис.15 усредненный ЗП = +0,109Т
при теоретическом пределе +0,125Т.
Формально схемы различают-
ся между собой, во-первых, типом
двоичного счетчика DD1, во-вторых,
направлением счета импульсов: для
К555ИЕ10 — сложение, для К155ИЕ7
— вычитание. Тем не менее, по ло-
гике функционирования обе схемы
"идентичны".
принудительно вводимым со входов
D8, D4, D2, D1. Таким образом, при
"идеальном" сигнале -RAWR счетчик
делит частоту FCLK ровно на 16, и
на выходе сигнал RCLK (рис.17в)
представляет собой "меандр".
Импульсы -RAWR располагаются
примерно посредине "окна детекти-
рования" на расстоянии t2 от левого
края и t1 от правого края. Созданы
все условия для безошибочного вы-
деления информации.
Аналогичные рассуждения можно
привести для случая Т=6 мкс, при
этом в счетчик в точке "В" записыва-
ется двоичное число "1101" (десяти-
чное "13") и т.д. Случай Т=8 мкс пол-
ностью совпадает с Т=4 мкс.
В зависимости от типа формиро-
вате ля -RAWR, может иметь место
взаимное смещение во времени сиг-
налов -RAWR и FCLK, иногда регу-
лируемое конденсатором. Данный
факт следует учитывать при анали-
зе временных диаграмм конкретных
схем.
Что будет, если в счетчик вмес-
то числа "5" вводить другое число?
Вследствие асимметрии, импульс
-RAWR сместится к краю "окна де-
тектирования", ухудшая тем самым
условия выделения данных. Опти-
мальное число К можно вычислить из
логически понятного соотношения:
8-К = К-1, откуда К=4,5. При этом чис-
ла "8" и "1" обозначают максимально
возможные состояния счетчика соот-
ЦФД сравнивает "местоположе-
ние" на временной оси приходящего
сигнала -RAWR с опорным числом
и, при наличии фазовых сдвигов,
добавляет (+N) или вычитает (-N)
соответствующее число импульсов,
поступающих на счетчик. Тем са-
мым производится фазо-частотное
регулирование компенсационного
типа. Этот процесс отчетливо виден
на рассмотренных ранее временных
диаграммах.
В случае N=0 частота FCLK мест-
ного кварцевого генератора делится
в счетчике ровно на 16. Период сиг-
нала RCLK равен 1/FBX при опти-
мальном расположении "окна детек-
тирования".
В схеме на рис.21 частота FCLK
увеличена в 2 раза, поэтому на вы-
ходе применяется дополнительный
делитель частоты на 2.
Обе рассмотренные структурные
схемы не имеют функциональных
обратных связей. Местная обратная
связь Q8-D8 (рис.15) не учитывает-
ся. Опорный уровень задан жестко,
поэтому система является простым
синхронизатором, любой фазовый
сдвиг входного сигнала приводит
15,16. Оптимальное число
К равно 6,5; т.е. или "6",
или "7". Иногда встреча-
ются схемы, где вводится
число "5". Их желатель-
но доработать. Можно ли
улучшить характеристи-
ки системы при переходе
к частоте FCLK 16 МГц?
Ответ отрицательный,
поскольку значение t3 на
ветственно слева и справа от точки
"А" на диаграмме рис.17б.
Теперь становится ясно, поче-
му вывод 3 микросхемы DD1 иног-
да подключают к общему проводу
(рис.15, пунктир), обеспечивая ввод
числа "0100" или "4". При этом воз-
можности устройства остаются пре-
жними.
Блокировка канала чтения по сиг-
налу WF/DE в схеме рис.16 ненужна,
если выходы счетчика не использу-
ются для формирования внутренних
сигналов.
На рис.18 изображена более
сложная разновидность схем ВД-
БОС.
Тактовая частота FCLK увеличе-
на до 8 МГц, а длительность сигна-
ла -RAWR уменьшена до 125 нс, что
должно давать определенные пре-
имущества. На временных диаграм-
мах (рис. 19) подробно разрисованы
состояния счетчика DD1 при отсутс-
твии фазовых сдвигов (рис.196, в, г)
и при их наличии (рис.19д, е, ж).
Запись числа "6" в счетчик
К155ИЕ7 происходит не по фрон-
ту FCLK, как в К555ИЕ10, а низким
уровнем сигнала -RAWR. Триггер
DD2 включен по схеме делителя час-
тоты на 2.
Запас "окна детектирования" со-
ставляет в среднем ±0,117Т, что
на 7,4% больше, чем в схемах рис.
диаграм мах станет менее 40
нс, что. недопустимо для ВГ93.
Дальнейшие усовершенство-
вания требуют кардинального
изменения алгоритма.
ИНФОРМАЦИОННАЯ МО-
ДЕЛЬ
После того как "на пальцах"
удалось разобрать принцип
работы выделителя данных, перей-
дем к обобщениям. В последующих
рассуждениях будут встречаться
абстрактные понятия — это своеоб-
разная реакция человека на непри-
вычный "цифровой способ мышле-
ния компьютера".
Логическую структуру схем на
рис.15,16 удобно представить как
на рис.20, а схемы
на рис.18 —как на
рис.21.
Сигнал -RAWR
поступает на цифро-
вой фазовый детек-
тор (ЦФД). Его роль
выполняет цепь при-
нудительного ввода
кода (D8, D4, D2, D1)
счетчиков К555ИЕ10
Опорный уровень (Fbx) — это не что
иное как аппаратно задаваемый код,
например число "0110" ("6") в схеме
на рис.18.
к такому же по величине фазовому
сдвигу выходного сигнала.
(Продолжение следует)
или К155ИЕ7.
(Продолжение. Начало в NN4-6/99)
Графическая интерпретация про-
цесса приведена на рис.22, который
составлен на основании табл. 1.
Действительно, "разумная" сис-
тема "сообразила" бы, что вслед за
небольшим положительным фазо-
нецелесообразно. Да и при боль-
ших фазовых сдвигах поддаваться
панике не стоит - скорее всего, это
одиночное искажение, после чего
система опять вернется в исход-
ное состояние. Следовательно, при
больших возмущениях фазовый
сдвиг выходного сигнала должен
измениться больше, чем при малых
возмущениях, но меньше, чем в слу-
чае ВД-БОС.
*С1К
Таким образом, получилось сло-
весное описание инерционной сис-
темы синхронизации с подстройкой
фазы через кольцо ФАПЧ [2].
Цифровая ФАПЧ в схеме выдели-
теля данных имеет свою специфи-
ческую структуру. Чтобы избежать
путаницы в терминологии, обычно
такие системы называют ЦФС —
цифровыми фазовыми синхрониза-
торами [7]. В некоторых публикациях
подчеркивается, что ЦФС — это сис-
темы авторегулирования на основе
анализа фазовых соотношений меж-
ду сигналами.
Табл.1
вым сдвигом
"по теории
вероятнос-
_ ги последует
_небольшой
отрицатель-
"ный фазовый
-сдвиг. Менять
.значение ко-
эффициен -
та деления
"счетчика при
-малых воз-
мущениях,
очевидно,
Для ВД-БОС линия управления
построена по точкам и проходит под
углом 45 градусов через начало ко-
ординат (линия 1).
Предположим, что можно произ-
вольно изменять угол наклона пря-
мой. Для этого необходимо ввести
обратную связь, как показано на
рис.20, 21 пунктиром.
Если линия управления будет
проходить вблизи вертикальной оси
(линия 2), то система станет очень
неустойчивой. Достаточно пару раз
подряд появиться фазовому сдви-
гу (1/16)Т одного и того же знака, и
импульс -RAWR выйдет за пределы
"окна детектирования". Налицо обра-
зец положительной обратной связи.
Логично предположить также об-
разование отрицательной обратной
связи и, как следствие, более ста-
бильную работу (линия 3).
Условные обозначения:
Р — предшествующее состояние счетчика;
М — последующее состояние счетчика;
N=P-M+1 — число импульсов компенсации.
С другой стороны, термин "узел
чтения на основе цифровой ФАПЧ"
прочно вошел в лексикон радиолю-
бителей, и было бы несправедливо
лишать их возможности использо-
вать свой сленг.
СХЕМОТЕХНИКА ВД-ЦФС
Возвратимся к графику закона
регулирования ЦФС (рис.22). Линия
регулирования с отрицательной об-
ратной связью (линия 3) показана в
качестве абстрактного примера. На
практике ее форма больше напоми-
нает кусочно-линейную функцию.
Какую именно — это и предсто-
ит выяснить для каждой конкретной
схемы.
На рис.23 представлена одна
из самых простых реализаций ВД-
ЦФС. Схема очень похожа на рис.15
при добавлении ПЗУ DD2 К155РЕЗ
(таблица прошивки представлена в
табл.2) и нагрузочных резисторов
R1...R3. Конструктивная доработка
заключается в напайке микросхемы
DD2 поверх DD1 прямо на печатной
плате контроллера.
Обратная связь вводится по трем
разрядам счетчика — D1, D2, D4.
ПЗУ выступает в роли преобразо-
вателя кода, что наглядно видно из
табл.3.
Теперь легко составить "фазо-
вый портрет" схемы (рис.24), а также
граф переходов (рис.25). Для удобс-
тва рассматриваются числа 0...7, ос-
тавшиеся числа 8...15 имеют анало-
гичную структуру. На графике можно
выделить три реакции на возмуще-
ние: +1, 0, -1, а также две устойчи-
вые точки со значением N=0.
Временные диаграммы (рис.26)
показывают увеличение "окна детек-
тирования" до +0,187Т, что на 71%
больше, чем в схеме-прототипе. На-
лицо полезность ВД-ЦФС.
В "8-мегагерцовых" схемах также
возможно введение цифровой об-
ратной связи (рис.27, [6]).
Роль преобразователя кодов воз-
ложена на сумматор DD3. Счетчик
DD1 работает на сложение, триггер
DD4 делит частоту на 2. Анализи-
руя логические состояния, нетрудно
составить характеристику регулиро-
вания (рис.28). Ее особенностью яв-
ляется сжатый в два раза масштаб
по оси N, увеличенное количество
точек, а также четыре варианта реак-
ции на возмущение: -2, -1, +1, +2.
Устойчивых точек на графике нет.
Это означает, что в установившемся
режиме при идеальном -RAWR сис-
тема будет постоянно колебаться
между точками +1 и -1 на оси N.
Те, кому удобнее ориентировать-
ся пографу переходов, могут уточ-
нить его рисунок, приведенный в
[6], добавлением пунктирной связи
между состояниями "15" и "1". Точно
такие же графы переходов имеют
две схемы, приведенные в [8]. Запас
окна детектирования , вопреки ожи-
даниям, остается таким же, как и в
предыдущей "4-мегагерцовой" схеме
и составляет +0,187Т. Это следствие
излома характеристики регулирова-
ния.
Изящное решение данной пробле-
мы предложено в схеме на рис.29, в
которой применяется программируе-
мая матрица DD3 (табл.4).
Микросхема DD1 не может ра-
ботать отдельно от DD3. Их связка
образует оригинальную пересчет-
ную схему. При единичном уровне
сигнала -RAWR используются коды
прошивки 10h...1Fh, при этом уст-
ройство превращается в обычный
суммирующий счетчик. При нулевом
уровне -RAWR (коды 00h...0Fh) вно-
сится рассогласование с добавлени-
ем или вычитанием N импульсов.
"Фазовый портрет" (рис.30) имеет
5 реакций на возмущение и одну ус-
тойчивую точку (N=0), в связи с чем
усредненный запас "окна детектиро-
вания" расширяется до +0,208Т.
Небольшой нюанс. Высокие па-
раметры схем ВД-ЦФС обеспечива-
ются при соблюдении ряда условий.
Во-первых, перепад из "нуля" в "еди-
ницу" сигнала FCLK должен проис-
ходить ближе к середине импульса
-RAWR, как на рис.19. Во-вторых,
длительности сигналов -RAWR, пос-
тупающих на ВГ93 и на формирова-
тель RCLK, должны быть одинаковы
и составлять 125 на Расширение
-RAWR (вывод 27 ВГ93) до 250 нc
автоматически сужает запас "окна
детектирования".
В практических схемах эти усло-
вия часто не выполняются, что не
позволяет полностью использовать
возможности схем ВД-ЦФС.
(Окончание следует)
Все вышеизложенные рассуж-
дения о ВД-ЦФС справедливы при
равновероятном распределении
мгновенных фазовых сдвигов. Более
естественным выглядит предполо-
жение, что плотность вероятности
имеет колоколообразную форму, на-
подобие Гауссовой кривой. "Ширина"
колокола разная у разных дисково-
дов. Кроме того, возможна асиммет-
рия фазовых сдвигов из-за, напри-
мер, постоянного смещения угловой
скорости вращения ротора двигате-
ля НГМД в какую-либо сторону.
Приспособиться к реалиям жизни
позволяет динамическая обратная
связь, при которой характеристи-
ка управления может оперативно
меняться программным способом
(рис.31, компьютер "ATM-TURBO-2"
[9]). Здесь вместо ПЗУ применяется
ОЗУ К155РУ2 (DD2), загрузка кото-
рого происходит через шину данных
компьютера D4...D7 по сигналу -WE.
При этом обнуляется счетчик DD1
(-R), блокируется сигнал -RAWR, а
вместо сигнала FCLK на схему пода-
ются специальные импульсы перебо-
ра адресов А0..А3. Записываемые
данные определяют угол наклона
"фазового портрета", его смещение
и величину.
При инициализации компьютера
в микросхему DD2 загружается на-
чальная характеристика, например
аналогичная рис.30. Если при чте-
нии дискеты встречаются ошибки,
то в DD2 заносятся другие коэффи-
циенты, после чего процесс чтения
повторяется. И так продолжается до
тех пор, пока подбором характерис-
тик не удается прочитать данные. В
противном случае принимается ре-
шение о фатальной ошибке.
Компьютер не может прочитать
информацию из ОЗУ контроллера,
поэтому, во избежание сбоев, же-
лательно при каждом новом чтении
дискеты вновь загружать начальную
характеристику.
