Методы формирования и стабилизации сетки частот

Перейдем к анализу методов построения структурных схем синтезаторов частот. Следует подчеркнуть, что для удовлетворения возросших требований к синтезаторам частот было разработано целое семейство новых методов, получивших название методов когерентного синтеза частот. Как следует из самого названия, эти методы обеспечивают получение многих частот из единой опорной частоты, обладающей требуемой стабильностью. Несмотря на большое разнообразие методов когерентного синтеза частот, их можно разбить на две группы: Ø методы прямого синтеза; Ø методы косвенного синтеза. В синтезаторах частот, построенных на основе методов прямого синтеза, выходные колебания получаются с помощью операций сложения, вычитания, умножения, деления эталонной опорной частоты. Отличительной особенностью таких синтезаторов является наличие большого числа преобразователей частот и фильтрующих устройств. Это, с одной стороны, приводит к значительным трудностям в получении заданной спектральной чистоты выходных колебаний, а с другой стороны, затрудняет микроминиатюризацию. Методы косвенного синтеза основаны на сравнении выходной частоты с опорной частотой и последующей подстройкой выходной частоты по сигналу ошибки при помощи одного или нескольких контуров управления [11]. Отличительная особенность таких синтезаторов – наличие различных модификаций систем фазовой синхронизации (СФС). В этих устройствах удается исключить большое число высокочастотных фильтрующих устройств, что позволяет значительно снизить объем и массу аппаратуры при одновременном повышении надежности и технологичности производства. 6.2.1 Методы прямого синтеза Существует четыре основных метода прямого синтеза частот: Ø синтез методом гармоник; Ø синтез методом гармоник в сочетании с методом двойного преобразования частоты; Ø синтез методом идентичных декад; Ø синтез методом прямого преобразования. Синтез методом гармоник Этот метод синтеза состоит из двух основных этапов: во-первых, генерации колебания с высоким содержанием гармоник, основная частота которого равна шагу сетки выходных частот; во-вторых, выделения колебания нужной гармоники. На рис. 6.1. представлен синтезатор частот, построенный по этому методу.

Рисунок 6.1 – Синтезатор частот, построенный по методу гармоник

Из колебаний опорного эталонного генератора (ЭГ) с помощью генератора гармоник (ГГ) формируются короткие импульсы. Спектр этих импульсов богат гармониками. С помощью узкополосного перестраиваемого полосового фильтра (ПФ) из спектра импульсов выделяется сигнал требуемой частоты. Метод нашел ограниченное применение из-за трудности технической реализации узкополосного перестраиваемого многозвенного полосового фильтра. Синтез методом гармоник в сочетании с методом двойного преобразования частоты Рассматриваемый метод синтеза поясняется на рис. 6.2.

Рисунок 6.2 – Синтезатор частот, построенный по методу гармоник в сочетании с методом двойного преобразования частоты

Импульсная последовательность с выхода ГГ подается на сигнальный вход смесителя (СМ). В качестве гетеродина используется перестраиваемый по частоте генератор (ПГ). Полосовой фильтр на выходе смесителя обеспечивает выделение колебаний разностной частоты и необходимое подавление нежелательных комбинационных составляющих. После фильтрации выделенная гармоника снова транспонируется в свое первоначальное значение. Транспонирование входных колебаний в область более низких частот позволяет многократно увеличить относительный разнос по частоте между соседними гармониками, что существенно облегчает задачу фильтрации. Полосовой фильтр, осуществляющий подавление нежелательных колебаний, работает на одной частоте. Двойное преобразование частоты устраняет влияние параметров перестраиваемого генератора на стабильность и точность установки частоты выходного колебания. Синтез методом идентичных декад Принцип построения синтезаторов частот на основе этого метода поясняет схема на рис.6.3, состоящая из последовательного соединения смесителей и делителей частоты на 10 и генератора гармоник, выдающего набор любых десяти гармоник опорной частоты 0 f .

Рисунок 6.3 – Синтезатор частот на основе метода идентичных декад

Вспомогательная частота 1 f и гармоника 0 af опорной частоты складываются в смесителе СМ1, сумма их делится на 10. Далее полученная частота складывается в смесителе СМ2 с другой гармоникой 0 bf , их сумма вновь делится на 10. Процесс сложения и деления может повторяться несколько раз в зависимости от требуемого шага сетки частот при данной опорной частоте. Выходная частота в рассматриваемой схеме определяется следующим соотношением шаг сетки

частот 100 0 f . Коэффициенты a, b, c могут принимать любые десять знечений от n до n 9 . Причем при изменении c (при опорной частоте равной, например, 1 мГц) частота меняется ступенями в 1 мГц, npи изменении b - ступенями 100 кГц, при изменении a - 10 кГц. Для уменьшения шага нужно поставить еще одну цепочку делитель – смеситель. Синтез методом прямого преобразования В тех случаях, когда необходимо сформировать относительно небольшое число выходных частот, принято пользоваться либо методом гармоник, либо методом прямого преобразования. Метод прямого преобразования предпочтителен в тех случаях, когда требуется одновременное присутствие на выходе устройства колебаний всех выходных частот. Meтод широко используется в синтезаторах для преобразования вспомогательных опорных частот. Основными узлами, входящими в состав устройства, в котором используется метод преобразования частоты, являются умножители и делители частоты, смесители и источник опорных колебаний. Пример такой схемы приведен на рис.6.4. Для простоты на этом рисунке не показаны фильтры. Приведенные на рис.6.4. частоты могут быть получены и множеством других способов, в частности, использующих меньшее число базовых блоков. Недостатком этого метода является высокий уровень побочных составляющих в спектре выходных колебаний.

Рисунок 6.4 – Синтезатор частот на основе метода прямого преобразования

Перейдем к рассмотрению второй группы синтезаторов частот, построенных по методу косвенного синтеза.

Методы косвенного синтеза частот Структурные схемы синтезаторов частот, построенных с помощью методов косвенного синтеза, разнообразны. По принципу построения синтезаторов частот можно выделить два основных метода косвенного синтеза: Ø метод на основе однопетлевой СФС; Ø метод синтеза на основе многопетлевых СФС, содержащих два, три и более контуров регулирования. Для углубленного понимания методов косвенного синтеза частот дадим определения режимам работы СФС (рис.6.5), рассмотрим физическую сущность процессов, протекающих в простейшей системе фазовой синхронизации. Сигналы частот эталонного и подстраиваемого генераторов поступают на фазовый детектор (ФД), выходное напряжение которого определяется разностью фаз напряжений, действующих на его входах. Напряжение ФД через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляющий элемент (УЭ) (например, варикап), который изменяет частоту ПГ, приближая ее к частоте ЭГ.

Рисунок 6.5 – Структурная схема СФС

В установившемся режиме синхронизма частота сигнала подстраиваемого генератора равна частоте эталонного сигнала, а разность фаз этих сигналов постоянна. Следовательно, постоянным оказывается и напряжение на выходе фазового детектора. Это напряжение, попадая через ФНЧ на УЭ, вызывает постоянное смещение частоты подстраиваемого генератора от ее начального значения до частоты эталонного генератора. Фильтр нижних частот применяется для устранения нежелательных составляющих спектра выходного сигнала фазового детектора и обеспечения устойчивой работы системы ФАПЧ. В такой системе возможны различные режимы работы: Ø режим удержания (синхронизма) - режим, при котором частоты эталонного и подстраиваемого генераторов равны, а медленные изменения параметров ПГ или ЭГ, определяющих их частоты, компенсируются действием автоподстройки; Ø режим биений (асинхронный режим) - режим, при котором среднее значение разности частот ЭГ и ПГ не равно нулю; режим захвата - режим, при котором с течением времени система переходит из режима биений в режим удержания. Ознакомившись с основными режимами в СФС, рассмотрим физическую сущность процессов в системе. Физическая сущность процессов в СФС Чтобы уяснять физическую сущность процессов, протекающих в простейшей системе фазовой синхронизации, дадим качественную оценку возникающих в ней явлений [11]. В дальнейшем это послужит основой для изучения захвата и удержания, переходных процессов и т. п. в более сложных системах. В режиме удержания СФС должна следить за разностью частот эталонного и подстраиваемого генераторов, поддерживая ее равной нулю. Предположим, что в первый момент частоты генераторов равны. В этом случае установится стационарная разность фаз 2 и, следовательно, напряжение на выходе фазового детектора будет равно нулю. Изменение частоты эталонного или подстраиваемого генератора вызовет расхождения их фаз. В результате на выходе фазового детектора появится напряжение такого знака и величины, которые необходимы для компенсации возникшей расстройки. При дальнейшем увеличении расстройки это напряжение будет возрастать. Поскольку максимальное значение выходного напряжения фазового детектора ограничено величиной UÔÄ ÌÀÊÑ , наступит момент, когда расстройка, вносимая управляющим элементом, окажется недостаточной для полной компенсации расхождения частот генераторов и синхронизм нарушится. Такая картина наблюдается в СФС только при очень медленном изменении расстройки между генераторами. При изменении знака расстройки процесс протекает аналогично, но напряжение на выходе фазового детектора изменяет свой знак. В режиме биений разность фаз эталонного и подстраиваемого генераторов непрерывно возрастает, и напряжение на выходе фазового детектора периодически изменяется. Воздействуя на управляющий элемент, это напряжение изменяет частоту подстраиваемого генератора, а, следовательно, и частоту биений, являющихся разностью частот эталонного и подстраиваемого генераторов. В зависимости от знака мгновенного напряжения на выходе фазового детектора частота биений или повышается или понижается. В дальнейшем будем называть мгновенное напряжение на выходе фазового детектора отрицательным, если оно увеличивает разность частот генераторов, и наоборот, положительным, если оно сокращает эту разность. Во время положительной полуволны указанного напряжения скорость его изменения (т. е. частота) оказывается пониженной, а во время отрицательной – повышенной. Это приводит к тому, что длительность положительного полупериода превышает длительность отрицательного. С уменьшением начальной расстройки минимальная мгновенная разность частот генераторов становится все меньше и меньше. Длительность положительной полуволны выходного напряжения фазового детектора все больше превышает длительность отрицательной полуволны. Полный период биений увеличивается.

Рисунок 6.6 – Формы нормированного напряжения на выходе фазового детектора СФС при различных значениях начальной насстройки

На рис. 6.6 построено семейство кривых, каждая из которых соответствует определенному, значению относительной начальной расстройки Ó Í Í . Здесь Í - начальная расстройка по частоте эталонного и подстраиваемого генераторов; Ó - полоса удержания СФС; t Ó - текущее время. Как видно из рисунка, выходное напряжение фазового детектора в режиме биений содержит постоянную составляющую, причѐм тем большую, чем меньше начальная расстройка. Наличие положительной постоянной составляющей уменьшает среднее значение разности частот подстраиваемого и эталонного генераторов по сравнению с Í , т. е. приводит к частичному увлечению частоты подстраиваемого генератора. Если Í приближается к Ó , длительность положительной полуволны напряжения на выходе фазового детектора стремится к бесконечности, а длительность отрицательной полуволны - к величине Ó 1 . Отношение длительности отрицательной полуволны к периоду стремится к нулю. Если Í Ó , то при любой фазе включения режим биений становится апериодическим и наступает захват. Таким образом, процесс захвата в СФС определяется изменением формы переменного выходного напряжения фазового детектора в результате синхронной модуляции биений по частоте. Итак, на основании изложенного можно придти к положению о том, что в СФС первого порядка полоса захвата равна полосе удержания. Наличие фильтра нижних частот уменьшает амплитуду переменного напряжения на выходе фазового детектора, уменьшая тем самым постоянную составляющую напряжения на входе управляющего элемента подстраиваемого генератора и, соответственно, полосу захвата в системе. Таким образом, полоса захвата в СФС с фильтром меньше полосы удержания Ç Ó . Перейдем к рассмотрению схем синтезаторов частот, построенных с помощью методов косвенного синтеза. Существует пять основных типов контуров управления СФС, на комбинациях которых строятся сложные схемы синтезаторов частот: Ø контур управления на гармониках эталонного генератора; Ø контур управления с делителем частоты; Ø контур сложения; Ø контур сложения с делителем частоты; Ø контур, построенный по декадной схеме. Контур управления СФС на гармониках эталонного генератора Из колебаний ЭГ в генераторе гармоник ГГ (рис.6.7.) создаются гармоники стабильной опорной частоты 0 f . Колебания с подстраиваемого генератора ПГ сравниваются по фазе в фазовом детекторе ФД с колебаниями одной из гармоник. Сигнал ошибки, пройдя через фильтр нижних частот ФНЧ, так изменяет частоту ПГ ÏÃ f , что она становится равной, nf0 f ÏÃ , где n - номер гармоники. Выбирая разные гармоники, получаем сетку стабильных частот.

Рисунок 6.7 – Контур управления на гармониках эталонного генератора

Чтобы не происходило ложного захвата на n 1 или n 1 гармониках, ПГ предварительно грубо настраивается на частоту нужной гармоники. Точная подстройка осуществляется автоматически контуром ФАПЧ. Контур управления СФС с делителем частоты Колебания ПГ поступают на делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД. Колебания частоты N f ÏÃ сравниваются в ФД с колебаниями опорного сигнала. Под действием сигнала ошибки в режиме захвата

Рисунок 6.8 – Контур управления СФС с делителем частоты

устанавливается равенство Nf 0 f ÏÃ . При изменении коэффициента деления N изменяется частота ПГ с шагом, равным опорной частоте эталонного генератора. Контур сложения Кроме обычных элементов ПГ, ФНЧ, ФД контур СФС содержит смеситель СМ и дополнительный фильтр Ф. В режиме синхронизма частота выходных колебаний равна сумме опорных частот, подаваемых на СМ 1 f и ФД 2 f . Если одно из опорных колебаний представляет собой мелкую сетку частот, а второе - крупную, то контур сложения позволяет сформировать мелкую сетку в широком диапазоне частот. Рисунок 6.9 – Контур сложения Контур сложения с делителем частоты Схема СФС (рис. 6.10) отличается от контура с делителем (рис.1.8) наличием СМ.

Рисунок 6.10 – Контур сложения с делителем частоты

В СМ выделяется разностная частота 1 f f ÏÃ , на которой может работать ДПКД. В режиме синхронизма выходная частота ПГ равна 1 Nf0 f f ÏÃ . При изменении коэффициента деления получается сетка частот с шагом 0 f в диапазоне изменения частоты 1 f . Наличие смесителя позволяет повысить выходную частоту контура регулирования. Контур СФС, построенный по декадной схеме Каждая декада контура состоит из делителя на 10 и кольца сложения Вспомогательная частота 1 f и гармоника 0 af опорной частоты складываются в первом кольце СФС, сумма их делится на 10. Далее полученная частота складывается во втором кольце СФС с другой гармоникой bf0 , их сумма вновь делится на 10 . Процесс сложения и деления может повторяться несколько раз в зависимости от требуемого дискрета при данной опорной частоте. Выходная частота в рассматриваемой схеме определяется следующим соотношением

Рисунок 6.11 – Контур, построенный по декадной схеме

Количество колец регулирования в значительной степени определяется требованиями к техническим характеристикам синтезаторов частот.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: