Программируемые аналоговые компоненты. Управление питанием и SDR

Время чтения: 10 минут

Программируемые источники питания позволяют изменять выходные параметры с помощью цифрового управления. В зависимости от конкретного устройства можно задавать выходное напряжение и ток, последовательность включения отдельных линий, скорость нарастания напряжения, пороги срабатывания защиты и другие параметры.

Такое управление используется в серверном и телекоммуникационном оборудовании, системах на основе процессоров и ПЛИС, автомобильной электронике, промышленной автоматике и измерительных приборах. Отдельное направление — лабораторные источники питания, в которых электронное управление позволяет точно устанавливать напряжение и ограничение тока, сохранять режимы работы и автоматизировать испытания устройств.

Однако возможность программно управлять питанием появилась далеко не сразу.

Ранние источники питания были преимущественно линейными. Сетевое напряжение понижалось низкочастотным трансформатором, выпрямлялось, сглаживалось фильтром, после чего стабилизировалось транзисторной схемой.

Регулировка выполнялась переключением отводов вторичной обмотки трансформатора или переменным резистором в цепи стабилизатора. Все настройки делали вручную, а сами источники получались достаточно крупными и материалоёмкими.

В 1970-х годах получили распространение интегральные линейные стабилизаторы, в том числе LM317/337 и µA723. Они значительно упростили схемотехнику источников питания и позволили сравнительно легко реализовать регулировку выходного напряжения и тока.

Следующим важным этапом стало массовое распространение импульсных источников питания в 1980-х. По сравнению с линейными схемами они имели увеличенный КПД и позволяли заметно уменьшить размеры силовых компонентов. Появилась и большая свобода при преобразовании входного напряжения в требуемое выходное, хотя управление такими источниками всё ещё оставалось преимущественно аналоговым.

Ситуация начала меняться в 1990-х годах. Рост сложности вычислительной техники потребовал динамического управления питанием. Использование цифровых потенциометров, управляемых ШИМ-контроллеров и программируемых источников опорного напряжения позволило передать часть функций управления микроконтроллеру или процессору.

В 2000-х появились более интегрированные решения, объединяющие АЦП, ШИМ-контроллер и управляющий микроконтроллер. Такой компонент мог самостоятельно измерять напряжение и ток, изменять скважность управляющего ШИМ-сигнала, включать и отключать отдельные линии питания, следить за входным напряжением и температурой.

Главным отличием стало появление полноценного обмена данными с основной системой. Контроллер питания мог не только получать команды, но и передавать процессору сведения о текущем состоянии источника.

Для разработки и диагностики подобных схем одного измерения постоянного напряжения зачастую недостаточно. Мультиметр позволяет проверить напряжение, ток и сопротивление, а осциллограф — увидеть пульсации, переходные процессы и работу ШИМ-контроллера.

В 2000–2010-х годах получил распространение PMBus (Power Management Bus) — стандарт цифрового управления источниками питания. Используя физический интерфейс, основанный на SMBus/I²C, он позволяет устройствам обмениваться командами и телеметрией.

Через такую шину задаётся напряжение, ограничение тока, пороги защиты, последовательность запуска и другие параметры. Особенно востребованным подобное управление оказалось в серверном и другом высокопроизводительном оборудовании, где одновременно используется большое количество линий питания.

Развитие мощных процессоров и ПЛИС привело и к распространению модулей VRM (Voltage Regulator Module). Их задача — выдавать низкое стабильное напряжение при значительных и быстро меняющихся токах нагрузки. Управление питанием при этом может изменяться в зависимости от текущего режима работы вычислительного устройства.

Современная цифровая система управления питанием по своей сложности уже приближается к специализированной SoC. В одном устройстве могут находиться микроконтроллер, АЦП и ЦАП, ШИМ-контроллеры, интерфейсы передачи данных, память, средства самокалибровки и телеметрии.

Таким образом, источник питания превращается из относительно простой схемы преобразования напряжения в самостоятельную управляемую подсистему.

SDR (Software Defined Radio) — подход к построению радиосистем, при котором значительная часть функций традиционного радио выполняется программно.

Фильтрация, модуляция и демодуляция, синхронизация, кодирование и декодирование могут переноситься из специализированных аналоговых схем в цифровую обработку. Аппаратная часть при этом обеспечивает приём, предварительную обработку и преобразование сигнала, а дальнейшая работа выполняется ПЛИС, сигнальным процессором или центральным процессором.

Такой подход позволяет одной аппаратной платформе работать с различными диапазонами, видами модуляции и стандартами связи.

Радиотехника первой половины XX века была практически полностью аналоговой. Приёмники и передатчики строились на электронных лампах, позднее — на транзисторах, а также на катушках индуктивности, конденсаторах, кварцевых и электромеханических фильтрах.

В простом AM-приёмнике прямого усиления сигнал с антенны поступал в колебательный контур, настроенный на частоту нужной радиостанции. Затем высокочастотный сигнал усиливался и детектировался, после чего полученный низкочастотный сигнал усиливался и подавался на громкоговоритель.

У такой схемы были существенные ограничения по избирательности и чувствительности.

Ситуацию изменило распространение супергетеродинных приёмников. Сам принцип был предложен ещё в 1918 году, а массовое распространение такая архитектура получила с 1930-х.

В супергетеродинном приёмнике входной высокочастотный сигнал смешивается с сигналом внутреннего генератора — гетеродина. В результате образуется промежуточная частота (ПЧ), которая остаётся постоянной независимо от выбранной радиостанции.

Это позволяет использовать фильтр, рассчитанный на одну фиксированную промежуточную частоту, и получить значительно лучшую избирательность, чем при использовании широкодиапазонного перестраиваемого аналогового фильтра. Такая архитектура стала основной для радиоприёмной аппаратуры на многие десятилетия.

В 1970–1980-х годах быстро развивались АЦП, ЦАП и цифровые сигнальные процессоры. Это позволило перенести отдельные операции обработки радиосигнала в цифровую область.

Появились цифровые фильтры, демодуляторы и синтезаторы частоты. Аналоговая часть радиотракта всё ещё играла основную роль, но отдельные функции уже выполнялись вычислительными средствами.

Именно развитие цифровой обработки сигналов создало техническую основу для появления SDR.

Концепция программно определяемого радио оформилась в 1990-е годы. Одной из основных идей было оцифровывать радиосигнал как можно ближе к антенне, после чего выполнять дальнейшую обработку программно.

Идеальный вариант выглядел бы просто: антенна → АЦП → процессор. Однако реальная радиосистема обычно требует предварительного усиления, фильтрации и преобразования сигнала, поэтому аналоговая часть полностью не исчезает.

Первые SDR-системы были дорогими и использовались преимущественно в научных и специализированных системах. Производительности АЦП и вычислительных устройств того времени ещё не хватало для создания дешёвых универсальных решений.

Ситуация изменилась в 2000-х годах благодаря развитию ПЛИС и высокоскоростных преобразователей. Появились коммерческие программно-аппаратные платформы, в которых радиосигнал оцифровывался, предварительно обрабатывался ПЛИС и передавался компьютеру для дальнейшей обработки.

Одна и та же аппаратная платформа поддерживала несколько стандартов и видов модуляции. Для изменения режима работы теперь не всегда требовалась переделка радиотракта — достаточно было изменить программное обеспечение или конфигурацию ПЛИС.

В 2010-х годах стоимость SDR-оборудования значительно снизилась. На рынке появились RTL-SDR, HackRF, bladeRF, LimeSDR и множество других доступных устройств.

Программно определяемое радио вышло за пределы исследовательских лабораторий и стало доступно радиолюбителям, студентам и инженерам.

При работе с SDR особенно важно видеть спектр принимаемого или передаваемого сигнала. Для аппаратных измерений используются анализаторы спектра, позволяющие исследовать частотный состав сигнала, оценивать уровень гармоник, побочных составляющих и помех.

В 2010–2020-х годах принципы программно определяемого радио стали активно использоваться в современных системах связи. Программная обработка применяется в инфраструктуре мобильных сетей, спутниковой связи и различных специализированных радиосистемах.

Следующим направлением развития становится объединение SDR с алгоритмами машинного обучения. Они используются для распознавания типов сигналов, классификации помех и адаптации параметров радиотракта к текущим условиям.

При этом сама концепция SDR остаётся прежней: аппаратная часть должна быть достаточно универсальной, а конкретные функции радиосистемы по возможности определяются программным обеспечением.