Опорная частота. Аналоговые измерительные устройства. Основные понятия теории синтеза частот

Синтез частот - формирование дискретного множества частот из одной или нескольких опорных частот f on . Опорной называется высокостабильная частота автогенератора, обычно кварцевого.

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 Df 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.

Практические схемы синтезаторов частот весьма разнообразны. Несмотря на это разнообразие, можно отметить общие принципы, лежащие в основе построения современных синтезаторов:

Все синтезаторы основаны на использовании одного высокостабильного опорного колебания с некоторой частотой f 0 , источником которого обычно является опорный кварцевый генератор;

Синтез множества частот осуществляется широким использованием делителей, умножителей и преобразователей частоты, обеспечивающих использование одного опорного колебания для формирования сетки частот;

Обеспечение синтезаторами частот декадной установки частоты возбудителя.

По методу формирования выходных колебаний синтезаторы подразделяются на две группы: выполненные по методу прямого (пассивного) синтеза и выполненные по методу косвенного (активного) синтеза.

К первой группе относятся синтезаторы, в которых выходные колебания формируются путём деления умножения частоты опорного генератора с последующим сложением и вычитанием частот, полученных в результате деления и умножения.

Ко второй группе относятся синтезаторы, формирующие выходные колебания в диапазонном автогенераторе гармонических колебаний с параметрической стабилизацией частоты, нестабильность которого устраняется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) по эталонным (высокостабильным) частотам.

Синтезаторы обоих групп могут быть выполнены с использованием аналоговой или цифровой элементной базы.

Синтезаторы, выполненные по методу прямого синтеза.

Высокостабильный кварцевый генератор ОГ формирует колебания с частотой f 0 , которые поступают на делители и умножители частоты ДЧ и УЧ.

Делители частоты понижают частоту ОГ f 0 в целое число раз (d), а умножители частоты увеличивают её в целое число раз (к). Частоты, полученные в результате деления и умножения частоты опорного генератора (f 0), используются для формирования опорных частот в специальных устройствах, которые называют датчиками опорных частот ДОЧ. Общее количество датчиков опорных частот в синтезаторе частот СЧ зависит от диапазона формируемых синтезатором частот и интервала между соседними частотами: чем шире диапазон частот СЧ и меньше интервал, тем больше количество ДОЧ требуется. При декадной установке частоты каждый ДОЧ формирует десять опорных частот с определённым интервалом между соседними частотами. Общее количество необходимых датчиков определяется количеством цифр (разрядов) в записи максимальной частоты синтезатора.

Опорные частоты, сформированные в датчиках, подаются на смесители. Полосовые переключаемые фильтры, включённые на выходе смесителей, выделяют в данном примере суммарную частоту: на выходе первого f 1 + f 2 , на выходе второго f 1 + f 2 + f 3 , на выходе третьего f 1 + f 2 + f 3 + f 4 .

Частота на выходе возбудителя при декадной установке определяется положениями переключателей каждой декады.

Относительная нестабильность частоты на выходе синтезатора равна нестабильности ОГ. Недостатком такого типа синтезаторов является наличие на его выходе большого числа комбинационных частот, что объясняется широким использованием смесителей.

Синтезаторы частот, построенные по методу косвенного синтеза

В синтезаторах, выполненных по методу косвенного синтеза, источником выходных колебаний является диапазонный автогенератор гармонических колебаний, автоматически подстраиваемый по высокостабильным частотам, формируемым в блоке опорных частот БОЧ.

Суть автоматической подстройки частоты АПЧ состоит в том, что колебания автогенератора с помощью высокостабильных частот преобразуются к некоторой постоянной частоте f АПЧ, которая сравнивается с эталонным значением частоты. В случае несовпадения сравниваемых частот формируется управляющее напряжение, которое подается на управляемый реактивный элемент и изменяет величину его реактивности (ёмкости или индуктивности).

Управляемые реактивные элементы включаются в контур, определяющий частоту АГ. Частота АГ изменяется до тех пор, пока f АПЧ не приблизится к эталонной частоте с достаточно малой остаточной расстройкой.

В зависимости от устройства сравнения все системы АПЧ можно разделить на три вида:

Системы с частотной автоподстройкой частоты ЧАП, в которой в качестве сравнивающего устройства используются частотные детекторы ЧД;

Системы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, использующие в качестве сравнивающего устройства фазовые детекторы ФД;

Системы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты ИФАП, в которых сравнивающим устройством являются импульсно-фазовые детекторы ИФД.

Синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, в отличие от

синтезаторов с ЧАП, не имеют остаточной расстройки. В системе ФАП сравнивающим устройством является фазовый детектор ФД. Управляющее напряжение на выходе ФД пропорционально разности фаз двух поданных на него колебаний, частоты которых в установившемся режиме равны.

На ФД подаются два колебания близких частот: одно из которых является эталонным с частотой f 0 , формируемой в БОЧ, второе является продуктом преобразования колебаний УГ в смесителе с помощью сетки частот f 01 с БОЧ

f ПР = f УГ – f 01 .

Если f ПР и f 0 близки по величине, то с выхода ФД управляющее напряжение скомпенсирует расстройку УГ и f ПР = f 0 , в системе устанавливается стационарный режим. Однако система ФАП работает в очень узкой полосе частот, не превышающей единиц кГц. Чтобы обеспечить перестройку УГ во всём его диапазоне частот, в синтезаторе с ФАП применяют систему автопоиска, которая, изменяя частоту УГ во всем диапазоне частот, обеспечивает её попадание в полосу охватывания системы ФАП. Система автопоиска представляет собой автогенератор пилообразного напряжения, который запускается при отсутствии управляющего напряжения на выходе ФНЧ. Как только частоты УГ попадают в полосу схватывания системы ФАП, генератор поиска выключается, система входит в режим автоподстройки с динамическим равновесием f ПР =f 0 .

Использование логических элементов в СЧ обусловило появление новых типов синтезаторов, которые называются цифровыми. Они обладают значительными преимуществами по сравнению с аналоговыми. Они более просты, надёжны в эксплуатации, имеют меньшие габариты и массу.

Применение логических интегральных схем в ЦСЧ позволило почти полностью исключить преобразование частоты УГ, заменив преобразователи делителем частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД.

Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частоты

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: f 1 =f 2 , что позволяет записать следующее соотношение для частот стабилизируемого и эталонного автогенераторов с учетом значений коэффициентов деления:

Согласно шаг сетки частот Df 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.

8.4.1. Основные характеристики осциллографов.

1. Полоса пропускания или параметры переходной характерис тики (ПХ) Полоса пропускания - это диапазон частот, в котором амплитудно-частотная характеристика имеет спад не более 3 дБ относительно значения на опорной частоте. Опорная частота - частота, на которой спад АЧХ отсутствует. Значение спада АЧХ в децибелах находят из соотношения

(8.19)

где l f оп - размер изображения на опорной частоте: l f изм -размер изображения начастоте,для которой измеряется спадАХЧ.

2. Неравномерностьамплитудно-частотной характеристики.

3. Нелинейность амплитудной характеристики усилителей осциллографа β а . Значение Р а определяют поформуле

(8.20)

где l -наиболее отличающийся от одного деления шкалы экрана размер изображения сигнала в любом месте рабочей части экрана.

4. Качество воспроизведения сигнала в импульсном осциллогра фе.

Это качество часто характеризуется параметрами переходной характеристики, к которым относятся: время нарастания переходной характеристики τ н, величина выброса на ПХ, спад вершины изображения импульса.

Время нарастания переходной характеристики τ н определяют как время нарастания изображения импульса, в течение которого происходит отклонение луча от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса (рис. 8.14, а).

а)б)

рис. 8.14.

Величину выброса на ПХ δ и измеряют на том же испытательном сигнале, что и время нарастания τ н , и определяют по формуле

,(8.21)

где l в - амплитуда изображения выброса; l и - амплитуда изобра жения импульса.

Определение δ и производят на импульсах положительной и отрицательной полярностей.

Спад вершины изображения (рис.8.14, б) нормируют по относительному спаду вершины импульса, который определяют по формуле

,(8.22)

где l сп - значениевеличиныизображенияспадаимпульса;/ и - значение амплитудыизображенияимпульса.

ЗнаяпараметрыПХ,можноопределитьпараметрыАЧХ, и наоборот.Верхняя граничная частота полосы пропускания

(8.23)

где f в - выражена в мегагерцах; τ н - в наносекундах.

Нижняя граничная частота

(8.24)

где f н - выраженав герцах;τ и - в секундах.

5. Чувствительность (нормальное значение калиброванного коэффициента отклонения). Чувствительность ε определяют как отношение видимого отклонения луча в миллиметрах к значению вызвавшего его входного сигнала в вольтах или милливольтах. Коэффициент отклонения K d - величина, обратная чувствительности.

: (8.25)

где U BX - значениеамплитудывходногосигнала; l -значение изображенияамплитудыэтогосигнала пооси Y .

Нормируемымипараметрамиосциллографаявляютсявсе калиброванныезначениякоэффициентаотклоненияиих погрешности. Погрешность коэффициента отклонения определяют по формуле

(8.26)

где K d 0 - номинальноезначение K d , указанноевтехнической документации на конкретный осциллограф.

6. Параметры входов . Например: вход открытый (закрытый), входное сопротивление 1 МОм + 3%, входная емкость, параллельная входному сопротивлению, не более 35пФ+10%.

7. Погрешностикалибраторовамплитудыикалибраторов временных интервалов.

8. Длительностьразверток. Длительностьразверток - это время прямого хода развертки, за которое луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении. ДлительностьпрямогоходаразверткиТ п задается в виде коэффициентов развертки

,(8.27)

где 1 Т - длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая длительности Т п. Коэффициент развертки характеризуется диапазоном изменений, основной и дополнительными погрешностями. Погрешность коэффициента развертки

,(8.28)

где К рном - номинальное значение коэффициента развертки.

9. Нелинейность развертки. Значение нелинейности развертки в процентах вычисляют из соотношения

,(8.29)

где /-длительность наиболее отличающегося от 1 см, или одного деления шкалы, временного интервала в любом месте рабочей части развертки в пределах рабочей части экрана.

Кроме указанных характеристик в соответствии со стандар тами осциллограф характеризуется следующими параметрами: рабочей частью экрана; минимальной частотой следования развертки; толщиной линий луча электронно-лучевой трубки; допус каемым суммарным значением постоянного и переменного напряжений на входах; максимально допустимым значением амплитуды исследуемого сигнала; минимальным значением и минимальной длительностью исследуемого сигнала, при котором обеспечи вается класс точности осциллографа; дрейфом нуля усилителей; запаздыванием начала развертки относительно сигнала синхронизации (для осциллографов без линии задержки); возможностью синхронизации (внешней, внутренней); разностью фаз между каналами; наводками с канала на канал; конструктивными характеристиками (масса, габариты, питание, климатические усло вия и т. д.).

В зависимости от точностных параметров ЭЛО в соответствий с ГОСТ 22737 - 77 «Осциллографы электронно-лучевые» делятся на четыре классаточности.

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 -4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением . Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной . Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять . Часто оказывается вполне достаточно и . Подобная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 -5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 -5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10") приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10 -5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 -6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)

В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 -6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

Литература:

Вместе со статьей "Опорные генераторы" читают:

http://сайт/WLL/KvGen.php

http://сайт/WLL/synt.php

ЛЕКЦИЯ 7

СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТЫ В ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

План лекции:

Основные понятия синтеза частот

Параметры систем синтеза частот

Классификация систем синтеза частот

Принципы действия различных типов синтезаторов

1 Основные понятия теории синтеза частот

Для переноса модулированного сигнала на требуемую частот для передачи необходимо сформировать колебание с частотой, лежащей в рабочем диапазоне передатчика.

В передающих устройствах для формирования требуемых частот могут использоваться синтезаторы частот .

Современные системы синтеза частот работают в диапазоне частот от долей герц до десятков гигагерц. Они используются в аппаратуре различного назначения, заменяя в ней простые автогенераторы.

Синтезом частот ‑ называют процесс получения одного или нескольких колебаний с нужными номинальными значениями частоты из конечного числа исходных колебаний путем преобразования частот, т.е. с помощью таких операций над колебаниями, при которых происходит сложение, вычитание частот и (или) умножение и деление их на рациональные числа.

Комплекс устройств, осуществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот . Если система синтеза частот выполнена в виде конструктивно самостоятельного устройства, то ее называют синтезатором частот .

2 Параметры систем синтеза частот

Показатели, позволяющие оценить качество формирования выходного колебания (чистоту его спектральной линии, т.е. отличие его от моногармоники). Как техническое устройство любая ССЧ характеризуется рядом эксплуатационно-технических характеристик.

Основными эксплуатационно-техническими характеристиками ССЧ, используемых в возбудителях радиопередатчиков и в качестве гетеродинов радиоприемников, являются:

Совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на выходе системы синтеза частот и следуют друг за другом через заданный интервал, называют сеткой частот .

Интервал между соседними номинальными значениями частоты, входящими в сетку частот, называют шагом сетки частот . B настоящее время,в радиопередающей и радиоприемной аппаратуре широко используются системы синтеза частот с шагом сетки
Гц, где а ‑ целое положительное или отрицательное число или нуль. Кроме того получили распространение системы с шагом сетки
Гц.

3 Классификация систем синтеза частот

Колебания, являющиеся исходными в процессе синтеза частот, получают от высокостабильных источников, которые называют опорными генераторами (OГ 1 , ΟΓ 2 , ..., ОГ n на рис. 1). Частоты колебаний этих генераторов (f 01 , f 02 , …, f on на рис. В1) называют опорными частотами, точнее, первичными опорными частотами. Современные системы синтеза частот работают, как правило, от одного опорного генератора (рис. B.2). Такие системы называют одноопорными (когерентными) . При двух и более опорных генераторах системы называют многоопорными (некогерентными) .

При этом речь может идти об одном колебании, частота которого способна принимать любое из этих значений (см. рис. B.1a), или нескольких одновременно существующих колебаниях (см. рис. B.1б ). Первый случай встречается в возбудителях радиопередатчиков гетеродинах радиоприемников, второй - в многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов.

Обычно в одноопорных системах синтеза частот сначала устройство, называемое датчиком опорных частот (ДОЧ) или, точнее, датчиком вторичных опорных частот, формирует вспомогательные колебания, частоты которых называют вторичными опорными частотами. Затем устройство, называемое датчиком сетки частот (ДСЧ), вырабатывает из этих вспомогательных колебаний нужные выходные колебания, частоты которых образуют сетку. Некоторые колебания подаются на выход непосредственно от ДОЧ (см. рис. B.2).

Все типы ССЧ делят на два класса:

системы активного синтеза частот;

системы пассивного синтеза частот.

Системами активного синтеза частот или, сокращенно, системами активного синтеза называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется с помощью активного фильтра в виде фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Системами пассивного синтеза частот или, сокращенно, системами пассивного синтеза называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется без применения ФАПЧ.

Системы того и другого классов могут быть выполнены целиком на аналоговых элементах или с применением цифровой элементной базы.

4 Пример работы синтезаторов на базе аналогового пассивного синтеза частот

Ha рис. 1.4 представлена структурная схема простейшей системы пассивного синтеза, построенной на аналоговой элементной базе. Колебание опорного генератора (ОГ), имеющее частоту f 0 (первичная опорная частота), подается на вход датчика опорных частот. B датчике опорных частот (ДОЧ) с помощью умножителя и делителя частоты вырабатываются два других колебания с частотами
и
(вторичные опорные частоты), которые подаются на входы двух генераторов гармоник (ΓΓ 1 и ΓΓ 2).

Каждый из генераторов гармоник состоит из формирователя импульсов (ФИ 1 и ФИ 2) и перестраиваемого полосового фильтра. Первый преобразует входное квазигармоническое колебание в последовательность очень коротких (по сравнению с периодом этого колебания) импульсов той же частоты (равными соответственно
и
). Спектр этой последовательности содержит множество высших гармоники; фильтр настраивают на нужную из них и выделяют ее. B результате на выходах генераторов гармоник получают квазигармонические колебания с частотами
и
.

Оба эти колебания подают на сумматор частот, состоящий из смесителя (См) и перестраиваемого полосового фильтра. Последний выделяет из спектра выходного продукта смесителя квазигармоническое колебание с нужной частотой

Смеситель обычно реализуется в виде балансного модулятора.

Пример. Пусть
,
, может принимать значения 1, 2, 3, a - значения 20, 21, 22, …, 39, то система имеет диапазон частот с шагом сетки
от

Пассивный цифровой синтез частот

B системах пассивного цифрового синтеза формирование требуемой частоты осуществляются цифровой обработкой сигналов, и только на выходе системы используют аналоговый фильтр.

Структурная схема ССЧ на базе пассивного цифрового синтеза частот представлена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Структурная схема одного из вариантов системы пассивного цифрового синтеза

Опорный генератор формирует высокостабильное колебание с опорной частотой, используемой для получения требуемой частоты на выходе синтезатора. Это опорное колебание преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов в формирователе импульсов (ФИ) путем ограничения по уровню сверху и снизу сформированного колебания. На выходе делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) последовательность импульсов на входе преобразуется в последовательность импульсов, которая следует с частотой, определяемой коэффициентом деления. Коэффициент деления N можно устанавливать равным любому целочисленному значению в пределах от N1 до N2. Его значение определяется счетно-решающим устройством исходя из частоты, установленной на пульте управления частотой. Счетчик на базе триггера формирует цифровые импульсы с требуемой скважностью. Полосовой фильтр (ПФ) восстанавливает из этой последовательности импульсов гармоническое колебание с необходимой частотой.

Рассмотрим пример. Пусть, например, требуется синтезировать сетку частот от 20 до 25 кГц с шагом 1 кГц. При этом частота опорного генератора соответствует 1 МГц.

В этом случае можно использовать коэффициенты деления N=25 (1 000 000/25 = 40 000) и N= 20 (1 000 000/20 = 50 000), при которых будут формироваться частоты 40 кГц и 50 кГц с шагом 2 кГц. В счетчике можно сформировать на базе этих частот поток прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2, и частотой, которая может принимать все нужные значения. Наконец, можно с помощью полосового фильтра, имеющего частоты среза 20 кГц (нижнюю) и 30 кГц (верхнюю), выделить нужные колебания, подавив высшие гармоники.

О.Стариков

Рассмотрев в предыдущей статье базовую схему ФАПЧ и принцип ее функционирования, теперь приступим к рассмотрению базовой схемы классического ФАПЧ синтезатора частоты, которая представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема однопетлевого ФАПЧ синтезатора частоты

RD (Reference Divider) - опорный делитель;
PD (Phase Detector) - фазовый детектор;
LPF (Low Pass Filter) - фильтр нижних частот;
VCO (Voltage-Controlled Oscillator) - генератор управляемый напряжением;
DFFD (Divider with a float factor of division) - делитель с переменным коэффициентом деления;
PR (Prescaler) - предварительный делитель частоты;
SC (Swallowing Counter) - поглощающий счетчик;
Fref - опорная частота;
Fout - выходная частота;
R - коэффициент деления опорного делителя;
fo - опорная частота после деления;
f1 - частота после деления в DFFD, (частота сравнения);
NDFFD - коэффициент деления DFFD (целое число без остатка);
Ksc - коэффициент деления поглощающего счетчика;
P/P+n - коэффициент деления прескалера (10/11, 20/22, 30/33, 40/44).

Ниже приведены выражения показывающие связь между опорной частотой, коэффициентами деления счетчиков и выходной частотой.

Шаг сетки частот dF на выходе синтезатора можно рассчитать по формуле:

Отсюда опорная частота после деления в опорном делителе должна быть:

Выражение для определения выходной (синтезируемой) частоты будет иметь вид:

Fout = fo P NDFFD + fo n Ksc

Шаг частоты на единицу кода NDFFD расчитывается, как:

Коэффициент деления NDFFD (целое число без остатка) расчитывается по формуле:

NDFFD = Fout / (fo P)

Коэффициент деления поглощающего счетчика (т.е остаток от деления при вычислениии кода NDFFD, деленный на минимальный шаг сетки частот) расчитывается, как:

Ksc = (Fout / (fo P) - NDFFD) / (n fo)

Так, как в качестве делителя PR используется прескалер с коэффициентами P/P+n, то при вычислении шага сетки частот dF можно заметить, что при использовании коэффициентов деления 20/22 и выше, значение шага сетки частот отличается от опорной частоты на значение nfo, а значение шага частоты на единицу кода NDFFD равно: dFDFFD = fo P или dFDFFD = (dF / n) P , т.к. fo = dF / n, но так, как отношение P/n равно 10 (10/1, 20/2, 30/3, 40/4) получается, что: dFDFFD = 10 dF.

Т.е по сути мы имеем кольцевой делитель по модулю 10. С учетом вышесказанного и анализируя выражения (10) - (14) предыдущей статьи данного цикла, получим еще две формулы, которые отображают весь процесс синтезирования для данной базовой схемы.

Изменение коэффициентов деления DFFD происходит, согласно выражению: (NDFFD (P/n)),т.е всякий раз с каждым новым шагом настройки, на единицу изменяется все выражение в скобках, т.к мы имеем дело с кольцевым делителем. По другому можно записать: (NDFFD x 10) + 1.

Рассмотрим теперь компоненты, на основе которых строится ФАПЧ синтезатор. Одним, из важных узлов, является фазовый детектор, который может быть линейным и выполнен как "четырехквадратный умножитель", или цифровым, выполненный на элементе "Исключающее -ИЛИ". Такой детектор работает с аналоговыми сигналами или с сигналами прямоугольной формы со скважностью 50%. Если на вход такого детектора подать прямоугольные импульсы, то зависимость его выходного напряжения от фазовой разности (при использовании фильтра нижних частот) будет иметь вид показанный на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимость выходного напряжения от фазовой разности для детектора, выполненного на элементе "Исключающее - ИЛИ"

Детекторы вышеуказанного типа, обладают высокой линейностью и применяются в основном для синхронного детектирования сигналов. Для частотного синтеза сигналов детекторы этого типа мало подходят по причине повышенной остаточной пульсации, даже когда оба сигнала равны по фазе. Это вызывает периодические фазовые изменения, так называемую фазовую модуляцию, и повышенный уровень шума на выходе системы.

Существуют также другой тип детектора, который работает по фронтам прямоугольных импульсов, и обладает чувствительностью только относительно расположения фронтов опорного сигнала и сигнала VCO. Детектор этого типа генерирует выходные импульсы только тогда, когда появляется фазовая разность между опорным сигналом и сигналом VCO. Эти импульсы по ширине равны промежутку времени между соответствующими фронтами двух входных сигналов, и называются как, импульсы "опережения" или "отставания" во время действия которых, схема источника тока либо "отводит", либо "отдает" ток. Во время же отсутствия этих импульсов, выход фазового детектора находится в разомкнутом состоянии. На рис. 3. показана зависимость выходного напряжения от фазовой разности для такого детектора.

Рисунок 3. Зависимость выходного напряжения от фазовой разности для детектора, работающего по фронтам прямоугольных импульсов

Конденсатор фильтра нижних частот является элементом запоминания напряжения, которое поддерживает требуемую частоту настройки VCO. Об этом свойстве "памяти" мы говорили в первой части цикла, когда рассматривали контуры регулирования "первого" и "второго" порядка.

Т.е, при фазовой разности, фазовый детектор данного типа, генерирует последовательность импульсов, которые с выхода источника тока в виде управляющего напряжения соответствующей полярности, заряжают или разряжают конденсатор фильтра до напряжения синхронизма VCO и системы в целом. Поскольку, во время отсутствия импульсов рассогласования выход фазового детектора является разомкнутым (на практике все же возможен эффект дрейфа VCO или холостого хода), то и отсутствуют остаточные пульсации и фазовая модуляция, а соответственно уменьшается суммарный уровень шума системы.

На рис. 4 приведена принципиальная схема детектора, работающего по фронтам прямоугольных импульсов, выполненного на триггерах D - типа.

Рисунок 4. Схема фазового детектора, состоящая из двух триггеров D - типа.

В этом устройстве, D - триггер запускается по положительным фронтам входных прямоугольных импульсов, и имеет следующие выходные состояния:

11 - оба выхода имеют высокое состояние, и подключены через схему AND (U3) назад ко входам CLR обоих триггеров.
00 - при таком состоянии выходов Q1 и Q2 оба транзистора P1 и N1 закрыты, и выход OUT имеет по существу высокий импенданс, т.е. разомкнутое состояние.
10 - при таком состоянии выходов, транзистор P1 открыт, а N1 закрыт и на выходе присутствует положительный потенциал источника питания.
01 - в этом случае транзистор P1 закрыт, а N1 открыт и на выходе присутствует отрицательный потенциал источника питания.

Элемент задержки DELAY включенный между выходом элемента U3 и входами CLR триггеров препятствует дрейфу VCO и способствует более четкому вхождению системы в синхронизм.

Так, в момент времени, когда оба сигнала на входах +IN и -IN стремятся стать равными, процесс изменения выходной частоты VCO замедляется, в результате чего на выходе источника тока появляется некоторая ненулевая компонента сигнала, так называемые "ни положительные - ни отрицательные" импульсы тока. Появление таких импульсов вызвало бы существенный дрейф VCO, в результате которого, снова появились бы или положительные или отрицательные импульсы рассогласования, и процесс снова бы повторился. Этот эффект циклической работы, вызвал бы появление на выходе источника тока модулированного сигнала, который являлся бы субгармоникой входной опорной частоты фазового детектора. Такой сигнал привел бы к очень существенным наводкам в выходном спектре VCO. Этот циклической эффект называют еще эффектом холостого хода, или люфта. С элементом задержки, даже когда оба входные сигналы равны по фазе, источником тока все еще будут генерироваться импульсы, которые не дадут VCO дрейфовать, и введут систему в синхронизм.

Кстати, необходимо заметить, что когда рассогласование на входах +IN и -IN существенное, то здесь, наоборот происходит быстрое изменение выходной частоты VCO. Сигнал рассогласования, поэтому является асиметричным и меняется более медленно в той части цикла, где сигналы на входах +IN и -IN стремятся сравняться, и наоборот.

Последние замечания относительно элемента задержки и дрейфа VCO как раз объясняют то, что теоретически, казалось бы при равенстве входных сигналов, выход фазового детектора должен быть разомкнут, а практически возникает несколько другая неприятная ситуация, вызывающая этот самый дрейф. В зарубежной литературе, импульс формируемый элементом задержки DELAY называют антилюфтовым широким импульсом (anti - backlash pulse width).

Типовой расчет фильтра нижних частот и расчет общего коэффициента передачи контура приведен в . Также на сайте www.analog.com представлена программа расчета фильтра нижних частот "Loop Filter Design".

Опорный делитель RD, имеет, как правило, набор фиксированных коэффициентов деления задаваемых программно, которые определяют значение опорной частоты. Значение опорной частоты, находится обычно в диапазоне от нескольких десятков до сотен килогерц. В качестве базового источника опорной частоты используют или кварцевый резонатор на несколько мегагерц (десятков мегагерц), или термостатированный генератор. Необходимо заметить, что стабильность частоты кварцевого резонатора или термостатированного генератора в большой степени (если не в основной), определяет стабильность всей системы в целом, т.к. опорная частота fo, по сути является эталонной. Создание высокостабильных термостатированных источников частоты является достатотчно ответственным делом, и требует отдельного разговора. Делитель с переменным коэффициентом деления DFFD также является программируемым, который задает отношение между входной и выходной частотами. Реализация такого делителя производится на основе счетчиков с разрядностью, определяемой максимальным коэффициентом деления. По сути, изменением коэффициента деления этого делителя мы изменяем значение выходной частоты.

Прескалер PR - это предварительный делитель частоты, который имеет двойной коэффициент деления. Эта структура возникла как решение проблемы, связанной с использованием достаточно высоких частот (от сотен МГц до нескольких ГГц) на выходе VCO.

Если такую частоту непосредственно подавать на вход делителя с переменным коэффициентом деления, то при опорной частоте равной 10 кГц и частоте VCO, скажем 1 ГГц, потребуется коэффициент деления порядка 100000, что в свою очередь потребует применения в качестве делителя с переменным коэффициентом деления по крайней мере 17- разрядного счетчика, который в добавок ко всему должен быть способен работать на данной входной частоте. Чтобы получать на выходе VCO такие достаточно высокие частоты и функционировать в этом диапазоне, перед делителем с переменным коэффициентом деления включают прескалер, который понижает выходную частоту до диапазона, в котором функционирует стандартная КМОП логика. Однако, при использовании двух модульного прескалера типа P/P+n в синтезаторе, выполненном согласно структурной схемы на рис. 1, падает разрешающая способность системы (увеличивается шаг сетки частот), т.к. dF = fo n.

Если бы, в качестве предварительного делителя использовался простой прескалер с коэффициентом деления P, то dF было бы равно fo, а выходная частота опредялалась бы как:

Fout = fo P NDFFD + fo Ksc

На практике отношения значений Fout, fo, NDFFD и P стараются выбирать такими, чтобы значение поглощающего счетчика было равно нулю (тогда его можно в принципе исключить из схемы) и выходная частота для схемы простого прескалера будет определяться, как:

Fout = fo P NDFFD

Структурная схема синтезатора изображенная на рис. 5, позволяет поддерживать выходную разрешающую способность системы, как fo, при использовании двух модульного прескалера, c коэффициентами деления P/P+1.

Рисунок 5. Структурная схема синтезатора частоты на базе двух модульного прескалера с поддержкой разрешающей способности системы

Однако, здесь необходимо учитывать следующее:

Выходные сигналы обоих счетчиков находятся в высоком состоянии, если они (счетчики) "не определены", т.е. не подключены, и находятся в режиме ожидания. Подключение счетчиков происходит при определенной выходной частоте прескалера. (Об этом, будет рассказано в следующих статьях цикла, когда будет рассматриваться конкретная компонентная реализация).
Когда счетчик B подключен, его выход принимает низкое состояние, и разрешается загрузка обоих счетчиков новыми значениями.
Значение, загружаемое в счетчик B, должно быть всегда больше значения загружаемого в счетчик A.

Предположим, что счетчик В только что подключился, и в оба счетчика загружены новые значения А и В. Это позволяет найти количество циклов VCO, необходимых для того, чтобы привести его снова в состояние стабильности. Пока счетчик А не подключен, прескалер делит (уменьшает) частоту на P+1. Так, оба счетчика будут вести счет, уменьшая значения на 1, и каждый раз прескалер будет считать (P+1) циклов VCO. Таким образом, счетчик A будет подключен после ((P+1) x A) циклов VCO. В этот момент прескалер подключается к делителю P. Также, можно сказать, что в это время счетчик B все еще имеет (B - A) циклов перед тем, как переключиться в режим ожидания. Это будет до тех пор, пока получим состояние ((B - A) x P). Система теперь стремится назад к начальному условию, из которого мы ее запустили. Общее количество циклов VCO, необходимых для того, чтобы это случилось.

N = (A x (P +1)) + ((B - A) x P) = AP + A +BP - AP = A +BP

При использовании двух модульного прескалера необходимо учитывать самые низкие и самые высокие значения N. Эти значения должны быть такими, чтобы получить действительный диапазон, позволяющий изменять N с дискретным целым шагом.

Полагают, что выражение N = A + BP, гарантирующее непрерывное разнесение целого числа для N, должно быть в диапазоне от 0 до (P -1). Тогда, каждый раз увеличивая В, имеется достаточно разрешающей способности, чтобы заполнить все значения целого числа между ВР и (В+1) x Р. Как было уже отмечено выше, для функционирования двух модульного прескалера, значение В должно быть больше (или равно) А. Минимальное значение для N, имеющее способность к приращению в дискретных целых шагах, может быть получено как:

Nmin = (Bmin x P) +Amin = ((P - 1)) x P) + 0 = P? - P

а максимальное как:

Nmax = (Bmax x P) +Amax

В этом случае значения Amax и Bmax определяются разрядностью счетчиков A и B.

Следующим, достаточно важным узлом, является генератор управляемый напряжением - VCO. Развитию этой темы можно было бы посвятить не одну публикацию, т.к. это достаточно важное устройство, которое должно обеспечивать высокие характеристики по стабильности частоты, шумовым параметрам, не подвергаться самовозбуждению и генерировать спектрально чистый сигнал во всем частотном диапазоне. Проектирование и конструирование генераторов управляемых напряжением (как в прочем и других узлов ВЧ и СВЧ техники) требует хороших знаний и наличие практического опыта в высокочастотной схемотехнике. К счастью, в настоящее время существуют законченные модули VCO, которые обеспечивают хорошие характеристики для всевозможных применений. Такими примерами могут служить VCO 190-902T компании Vari - L (www.vari-L.com ), MC1648 компании MOTOROLA (motorola.com ), MQE520 - 1800 Murata, а также VCO таких производителей, как, Alps, Mini-Circuits, Z-Comm, Micronetics. Все вышеперечисленные элементы, входящие в состав ФАПЧ синтезаторов частот как правило выполняются в едином конструктивном исполнении (за исключением фильтра нижних частот и VCO) и представляют собой самостоятельный узел выполненный в виде интегральной схемы. Здесь необходимо однако оговориться по поводу отдельной реализации VCO, т.к. уже существуют однокристальные устройства реализующие в себе полный синтезатор с VCO и ряд дополнительных блоков. О таких устройствах для СВЧ применений говорилось уже на страницах журнала CHIP NEWS, в частности в №4 за 2001 год стр. 30 - 31, 48 - 49.

В заключении этой статьи хотелось бы уделить внимание важной для ФАПЧ систем теме - фазовому шуму. Существует так называемая, долгосрочная и краткосрочная стабильность частоты системы ФАПЧ и синтезаторов. Если долгосрочная характеризует стабильность частоты в течении длительного периода времени (часы, дни, недели), то краткосрочная стабильность характеризует изменения происходящие в течении секунд или долей секунд. Эти краткосрочные изменения могут быть случайными или периодическими, и представляют собой спектр со случайными и дискретными частотными составляющими, которые порождают широкие всплески и побочные пики в спектре выходного сигнала. Дискретные побочные составляющие вызваны тактовой частотой опорного источника сигнала, интерференцией линии питания и продуктами преобразования. Расширение, вызванное флуктуацией случайных помех называется фазовым шумом, и может являться следствием теплового, дробового и фликкер шума в активных и пассивных компонентах. К выходному сигналу VCO добавляется сигнал ошибки, значение которой определяется как средне - квадратичное значение фазовой флуктуации (погрешности фазы или колебания) и может быть выражено в пикосекундах или в градусах среднеквадратичного значения. Важно заметить, что полный выходной шум зависит от шума, вносимого каждым элементом схемы, т.е. от шума фазового детектора, источника тока, делителей, VCO, и может быть рассчитан, как шум подаваемый назад на вход фазового детектора. Чтобы определить полный шум на выходе системы, необходимо все составляющие представить в среднеквадратичном значении.

S2 = X2 + Y2 + Z2

где, S2 - полная мощность фазового шума на выходе системы;

X2 - мощность шума опорного делителя и делителей цепи обратной связи, подаваемая на входы фазового детектора;

Y2- мощность шума на выходе источника тока, обусловленная шумами от вышеперечисле - нных делителей и собственно, от шума самого фазового детектора и источника тока;

Z2 - мощность шума, вносимого VCO.

Необходимо вспомнить, что характеристика фильтра нижних частот с частотой среза на уровне 3 dB, обозначает ширину полосы пропускания контура Bw. Для частотных сдвигов на выходе меньше, чем Bw доминируют значения шума X и Y, а для частотных сдвигов намного больше, чем Bw доминируют значения фазового шума Z. Малое значение для Bw наиболее предпочтительно, т.к. позволяет минимизировать общее значение фазового шума, однако, может быть следствием медленного переходного процесса. Поэтому, определение ширины полосы пропускания должно зависеть от переходной характеристики и полной мощности интегрированного фазового шума.

Литература

Curtin M., O"Brien P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters - Part 2 Analog Dialogue 33 - 5 (1999).
Curtin M., O"Brien P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters - Part 3 Analog Dialogue 33 - 7 (1999).
Horowitz P., Hill W. The Art of Electronics, Second Edition, Cambridge University Press 1989.
SGS - THOMSON Microelectronics, Micropower Phase-Locked Loop, 1994.

Возможно, будет полезно почитать: