Diplomarbeit - Eingebettete Systeme - Technische Universität ...

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der Kooperation des Fachgebietes Mikroelektronische
Systeme (MES) der Technischen Universität Darmstadt mit der Abteilung
Hochfrequenztechnik und Beschleunigungsstrukturen der Gesellschaft für Schwerionenforschung
(GSI) erstellt.
Die GSI betreibt Beschleunigeranlagen für Ionenstrahlen, für deren Hochfrequenzanlagen
zum Teil aufwendige Regelungssysteme notwendig sind. Zur Lösung dieser
Regelungsaufgaben wurde in der Vergangenheit ein universelles System entwickelt,
das neben einer analogen Vorverarbeitung auf digitalen DSP- und FPGA-
Technologien basiert. Auf Grundlage existierender Baugruppen sollte für dieses sogenannte
DSP-System ein neuer, digitaler Offset-Lokaloszillator (Offset-LO) unter
Verwendung eines FPGA entwickelt werden.
Ein Offset-LO arbeitet nach dem Prinzip einer phase locked loop (PLL). Die notwendigen
Grundlagen für die in dieser Arbeit verwendeten digitalen PLL-Algorithmen
einschließlich der DDS-Technologie werden ausführlich hergeleitet. Ausgehend vom
Modell einer zeitkontinuierlichen PLL wird ein Entwurfsverfahren zur Bestimmung
der Reglerkonstanten einer zeitdiskreten PLL vorgestellt. Für die resultierende zeitdiskrete
Typ-II-PLL wird der Stabilitätsbereich für beliebige Ordnungen der Übertragungsfunktion
angegeben. Darüber hinaus wird das Verhalten im Zeit- und Frequenzbereich
dargestellt. Weiterhin werden Formeln zur stationären Genauigkeit dieser
PLL-Architektur entwickelt.
Der Fangbereich stellt ein wichtiges Kriterium dar, das den nutzbaren Frequenzbereich
einer PLL vorgibt. Um diesen abschätzen zu können, wurde eine analytische
Lösung für die Ausrastfrequenz hergeleitet. Des Weiteren konnte ein Verfahren entwickelt
werden, dass den Fangbereich einer digitalen PLL erweitert.
Aufgrund der Komplexität sowie der limitierten Ressourcen des verwendeten
Altera © -Cyclone © -FPGAs, wurden einige Komponenten wie z.B. digitale Filter
auf Algorithmenebene so optimiert, dass eine Implementierung ohne Multiplizierer
möglich wurde. Des Weiteren wurden Pipeline-Methoden verwendet, um den erforderlichen
Datendurchsatz zu erreichen.
Es wurden Simulationswerkzeuge genutzt, die zum einen die frühe Simulation eines
abstrakten Modells zur Auslegung des Systems und zum anderen die Einbindung
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