Лекция №5. Синтезаторы частоты

• Название: Синтезаторы частоты
• Дата: 03.02.2021
• Размер: 116.5 Kb.
• Имя файла: Лекция №5.doc
• Тип: Документы; #173589

Лнкция №5

Тема: Синтезаторы частоты

1. Назначение и параметры синтезатора частот

Синтез частот - формирование дискретного множества частот из одной или нескольких опорных частот f_on (рис. 1). Опорной называется высокостабильная частота автогенератора, обычно кварцевого.



Рис. 1. Синтез частот дискретного множества частот из одной опорной.
Синтезатор частот (СЧ) - устройство, реализующее процесс синтеза. Синтезатор используется в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем радиосвязи, радионавигации, радиолокации и другого назначения.

Основными параметрами синтезатора являются: диапазон частот выходного сигнала, количество N и шаг сетки частот f_ш, долговременная и кратковременная нестабильность частоты, уровень побочных составляющих в выходном сигнале и время перехода с одной частоты на другую. В современных синтезаторах число формируемых им дискретных частот может достигать десятков тысяч, а шаг сетки изменяться от десятков герц до десятков и сотен килогерц. Долговременная нестабильность частоты, определяемая кварцевым автогенератором, составляет 10^–6, а в специальных случаях - 10^–8…10^–9. Диапазон частот синтезатора меняется в больших пределах в зависимости от назначения аппаратуры, в которой он используется. На первой стадии развития синтезатор частот состоял из большого числа кварцевых автогенераторов, с помощью которых путем суммирования и умножения частот сигналов с их дальнейшей фильтрацией удавалось создать определенную сетку частот. В настоящее время один из основных способов построения синтезатора основывается на применении схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты и элементов вычислительной техники. Для понимания работы такого синтезатора необходимо сначала ознакомиться с принципом работы устройств автоматической подстройки частоты.

2. Автоматическая подстройка частоты

Назначение. Устройства автоматической подстройки частоты (АПЧ) служат для стабилизации и управления частотой автогенератора по эталонному сигналу. Разнообразно применение систем АПЧ в радиоприемных и радиопередающих устройствах. Назовем несколько наиболее типичных случаев их использования:

– в синтезаторах частоты, с помощью которых создается дискретное множество частот при одном эталонном сигнале;

– для стабилизации частоты мощных автогенераторов по слабому сигналу эталонного автогенератора, что позволяет существенно сократить число ВЧ или СВЧ усилительных каскадов;

– для автоматической подстройки частоты гетеродина радиоприемника по частоте принимаемого сигнала.

Обобщенная структурная схема устройства АПЧ. Такая схема приведена на рис. 15.2. В устройстве сравниваются сигналы эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в результате чего вырабатывается сигнал ошибки. После фильтрации этот сигнал управляет стабилизируемым автогенератором, частота которого по установленному алгоритму следит за частотой эталонного автогенератора. В устройство АПЧ входят также преобразователи частоты формируемого сигнала и устройство поиска, осуществляющее ввод всего устройства в режим автоматического регулирования.




Рис. 2. Структурная схема устройства ЧАП непрерывного типа
Классификация. В зависимости от способа получения сигнала ошибки различают: устройства частотной автоподстройки частоты (ЧАП), фазовой автоподстройки частоты (ФАЛ) и комбинированные (ЧАП - ФАП). В устройствах ЧАП сигнал ошибки вырабатывается путем сравнения частот сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в устройствах ФАП - путем сравнения t фаз тех же сигналов. По виду сигнала в цепи управления устройства АПЧ подразделяют на непрерывные при аналоговом сигнале и дискретные. Последние, в свою очередь, в зависимости от метода квантования сигнала подразделяют на релейные (при квантовании по уровню), импульсные (при квантовании по времени) и цифровые (при квантовании по уровню и времени).

Основные звенья. Рассмотрим основные звенья, входящие в устройства АПЧ. В качестве эталонного генератора в ней обычно используется высокостабильный кварцевый автогенератор или принимаемый радиосигнал, а в качестве стабилизируемого генератора - автогенератор с параметрической стабилизацией частоты. В качестве звена фильтрации применяется фильтр нижних частот 1, 2-го или более высокого порядка. Преобразователи частоты, включаемые после автогенераторов, могут выполнять такие функции, как умножение, деление или смещение частоты сигнала. Звеном сравнения в ЧАП является частотный дискриминатор, напряжение на выходе которого U_д зависит от разности частот входных сигналов - стабилизируемого (f_ст) и эталонного (f_эт):

.

Пример такой характеристики, начальный участок которой является линейным с крутизной S_д, приведен на рис. 15.3, а.





Рис. 3. Характеристики частотного дискриминатора.
Звеном сравнения в ФАП является фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого U_cp зависит от разности фаз сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов: U_cp=(_ст–_эт). Ниже звенья сравнения - дискриминаторы - будут рассмотрены более подробно. Звеном управления обычно является управляющий элемент с варикапом или ферритом, устройство которых рассматривается ниже. Назначение данного элемента состоит в управлении частотой стабилизируемого автогенератора в зависимости от величины напряжения на его входе. Поэтому данное звено определяется зависимостью f=(U_у), пример которой приведен на рис. 9.3, б. Начальный участок данной характеристики обычно является линейным с крутизной S_y. Системы АПЧ являются нелинейными устройствами, поскольку в них одно или несколько звеньев являются нелинейными. При линеаризации таких звеньев исследование АПЧ проводится в рамках линейной модели, что позволяет получить некоторые важные результаты. Параметры устройства АПЧ. Следующие параметры, которые называются показателями качества процесса регулирования, характеризуют работу устройств АПЧ. Точность определяется отклонением частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме. При действии на устройство помимо полезного сигнала и помехи точность определяется средней и среднеквадратической шибкой. Коэффициент авторегулирования К_рег - отношение первоначальной ошибки по частоте автогенератора в момент его включения к ошибке в установившемся режиме работы. Пусть ошибка частоты автогенератора (ее отклонение от номинального значения) равна 1 МГц, а после окончания процесса регулирования она снижается до 100 Гц. Для коэффициента регулирования получим: К_рег=10⁶/100=10⁴.

Полоса схватывания - максимально допустимая величина первоначальной ошибки по частоте автогенератора, при которой устройство нормально функционирует после его включения.

Полоса удержания - максимально допустимая величина собственной ошибки по частоте автогенератора в установившемся Режиме работы. Как правило, полоса удержания больше полосы схватывания.

Переходный процесс установления частоты стабилизируемого автогенератора после включения устройства АПЧ или изменения частоты эталонного генератора. Обычно этот процесс носит апериодический или затухающий колебательный характер. Время установления частоты стабилизируемого автогенератора - время переходного процесса, за которое частота входит в определенную зону.

Устойчивость работы устройства АПЧ определяется несколькими параметрами. Поскольку устройство АПЧ является схемой с обратной связью, то в ней подобно автогенератору могут возникнуть собственные автоколебания, если будут выполнены условия баланса амплитуд и фаз. Такой режим работы является недопустимым в устройстве АПЧ, которое должно отслеживать изменения частоты входных сигналов, а не создавать собственные автоколебания. Более того, следует иметь определенный запас по устойчивости.

Частотная автоподстройка частоты

Звенья устройства. Структурная схема устройства ЧАП непрерывного типа соответствует схеме АПЧ (рис. 2).

В ней под звеном сравнения следует понимать частотный дискри­минатор, напряжение на выходе которого зависит от частоты на его входе. Известно несколько схем частотных дискриминаторов, наиболее распространенными из которых являются схемы балансного типа (рис. 15.4) и на расстроенных контурах.


Рис. 4. Частотный дискриминатор балансного типа
В качестве частотного дискриминатора может использоваться и микросхема, имеющая два входа (рис. 15.5, а). На 1-й вход подается сигнал частоты f₀, определяющий среднюю частоту дискриминатора, а на 2-й - сигнал разностной частоты f_р=f_ст–f_эт. При f_p>f₀ напряжение на выходе дискриминатора и_д=U_д, а при f_p0 напряжение и_д=–U_д. В результате характеристика дискриминатора имеет вид, приведенный на рис. 15.5, б.




Рис. 5. Характеристика дискриминатора
Из схем управления частотой автогенератора выделим две: с варикапом и ферритом. Варикапом называется полупроводниковый диод, емкость закрытого р-n-перехода которого существенно зависит от значения обратного напряжения U_обр. Данная зависимость определяется следующим примерным соотношением:

. (1)

Схема управляющего элемента с варикапом приведена на рис. 6.



Рис. 6. Схема управляющего элемента с варикапом
Схема управляющего элемента с ферритом показана на рис. 15.7. Катушка индуктивности с ВЧ ферритом располагается в зазоре электромагнита. При изменении тока подмагничивания меняется дифференциальная магнитная проницаемость феррита, что приводит к измерению индуктивности контура и частоты автоколебаний.



Рис. 7. Схема управляющего элемента с ферритом
В обеих схемах характеристика управляющего элемента f_y=(U_y) подобна характеристике, приведенной на рис. 15.3,б. В качестве ФНЧ может использоваться однозвенный RC-фильтр (рис. 15.8).



Рис. 8. Однозвенный RC-фильтр.
Определим точность ЧАП в установившемся режиме работы, в котором линейная модель устройства описывается системой из трех уравнений: (15.2)

где f_ст - отклонение частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения; f_н - начальная расстройка того же автогенератора; f_y - изменение частоты автогенератора под действием управляющего элемента в замкнутой системе. (Остальные параметры определены выше на рис. 15.3.). Решив совместно уравнения (15.2), получим уравнение для отклонения частоты стабилизируемого автогенератора в установившемся режиме работы: , (3)

где f_о.р. - остаточная расстройка.

И з (15.3) следует, что благодаря действию устройства ЧАП первоначальное отклонение частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения f_н уменьшается в К_рег=(1+S_уS_д) раз. Поскольку коэффициент авторегулирования К_рег>>1, то это уменьшение может быть весьма существенным - в 1000 и более раз. Графическое решение уравнений (15.2) представлено на рис. 15.9. Из него также следует, что решением уравнений (15.2) является величина f_ст=f_о.р.. Именно на эту величину, которая определяет точность ЧАП, отличается частота стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме.


Рис. 15.9. Графическое решение уравнений (2)
Пример. Начальная расстройка f_н=000 кГц. Крутизна S_y=400 кГц/В, крутизна S_д=5 В/кГц. Коэффициент регулирования К_рег=1+S_уS_д=2001. Остаточная расстройка f_о.р.=f_н/К_рег=0,5 кГц. Таким образом, нестабильность частоты стабилизируемого автогенератора с 1000 кГц уменьшается до 500 Гц.

Фазовая автоподстройка частоты

Звенья устройства. Структурная схема устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАП) непрерывного типа соответствует обобщенной схеме АПЧ (рис. 15.2). В ней под звеном сравнения следует понимать фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого зависит от мгновенной разности фаз входных сигналов. Таким образом, единственное отличие ФАП от ЧАП состоит в замене сравнивающего элемента - частотного дискриминатора на фазовый, что, однако, приводит к важным изменениям в работе устройств. Известны несколько схем фазовых дискриминаторов, одна из которых - кольцевого типа - изображена на рис. 15.10. Все остальные звенья схемы ФАП идентичны рассмотренным выше звеньям ЧАП.



Рис.10. Схема фазового дискриминатора кольцевого типа
Фазовый дискриминатор, вырабатывающий напряжение, зависящее от разности мгновенных фаз входных колебаний, можно рассматривать как перемножитель этих колебаний. Докажем данное положение.
Перемножим два колебания:

(4)

После фильтрации колебания с суммарной частотой получим выходной сигнал, зависящий от разности фаз входных сигналов:

(5)

Рассмотрим установившийся режим работы ФАП, приняв во внимание два обстоятельства. Во-первых, поскольку в этом режиме напряжение на выходе фильтра нижних частот равно входному напряжению, то справедливо следующее равенство: u_ф.д.=u_у, где u_ф.д. - напряжение на выходе фазового дискриминатора, u_у - напряжение на входе управляющего элемента (рис. 15.11). Во-вторых, в нормально функционирующей ФАП должна устанавливаться постоянная разность фаз сигналов стабилизируемого и эталонного АГ:

что означает равенство частот этих колебаний: f_ст(t)=f_эт(t), или выполнение равенства: f_ст=f_н–f_у=0, т.е. f_у=f_н.

Рис. 11. Установившийся режим работы ФАП
С учетом последних соотношений для ФАП в установившемся режиме справедлива следующая система из двух уравнений:

(6)

Решим уравнения (15.6) графическим путем (рис. 15.12). Здесь возможны три случая:

1) графики функций пересекаются во множестве точек;

2) график второй функции (15.6) является касательной по отношению к первой;

3) графики не имеют ни одной точки пересечения.


Рис.12. Графическое решение уравнения (6)
Очевидно, в 3-м случае, при котором нет точек пересечения графиков, система уравнений (15.6) не имеет решения, что означает неработоспособность ФАП. В 1-м случае есть множество точек пересечения графиков - по две на каждый период, - и, следовательно, ФАП должна нормально функционировать. Следует рассматривать 2-й случай как крайний случай 1-го, при котором начальная расстройка f_н стабилизируемого АГ может быть максимальна. Такое максимальное значение f_н, в установившемся режиме называется полосой удержания (см. разд. 15.2), для которой согласно (15.6) получим: . (7)

Из проведенного анализа следует, что преимущество ФАП перед ЧАП состоит в ее более высокой точности: в ФАП частоты стабилизируемого и эталонного автогенераторов равны, в ЧАП они отличаются на величину остаточной расстройки f_о.р. Для обеспечения большой полосы схватывания и высокой точности применяют комбинированные схемы ЧАП - ФАП.

Цифровой синтезатор частот

Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частоты приведена на рис. 15.13.




Рис. 13. Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частот
Данная схема соответствует общей схеме автоматической подстройки частоты (рис. 15.2), если под преобразователями частоты понимать делитель в М раз частоты опорного генератора и делитель в N раз частоты стабилизируемого генератора, а под звеном сравнения - импульсно-фазовый дискриминатор. На схеме ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления - К-разрядный программируемый цифровой счетчик. Назначение других звеньев схемы ясно из сделанных на них надписей. В блоке управления осуществляется прием и хранение данных программирования и формирование кодового сигнала, по которому устанавливается значение коэффициента деления N в зависимости от поступившей на синтезатор команды. В результате действия фазовой автоподстройки частоты устанавливается равенство частот сигналов, поступающих на вход импульсно-фазового дискриминатора: f₁=f₂, что позволяет записать следующее соотношение для частот стабилизируемого и эталонного автогенераторов с учетом значений коэффициентов деления: . (7)

Согласно (15.7) шаг сетки частот f_ш=f_эт/М. Меняя управляемое значение N, устанавливают требуемое значение частоты стабилизируемого генератора, который с помощью управляющего элемента может перестраиваться в требуемом диапазоне частот. Схема автогенератора с управляющим элементом на варикапе может соответствовать рис. 15.6 или с ферритом - на рис. 15.7. Пример. Требуется создать синтезатор с диапазоном частот 118…136 МГц и шагом f_ш=25 кГц. Выбираем частоту кварцевого автогенератора f_эт=1 МГц. Отсюда требуемое значение М=1000/25=40. Согласно (15.7) для нижней частоты 118 МГц следует иметь: N₁ = 118000/25=4720, для верхней частоты N₂=136000/25=5440. Следовательно, с помощью ДПКД - цифрового счетчика - следует обеспечить изменение коэффициента деления N через 1 в пределах 4720…5440. Современные синтезаторы частот строятся на основе одной большой микросхемы, в которую объединяются все звенья схемы рис. 15.13, за исключением управляемого по частоте стабилизируемого автогенератора.
Выводы
1. Основными параметрами синтезатора являются: диапазон частот выходного сигнала, количество N и шаг сетки частот f_ш, долговременная и кратковременная нестабильность частоты, уровень побочных составляющих в выходном сигнале и время перехода с одной частоты на другую.