Синтезаторы частоты

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 f₀, 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 f₀, которые поступают на делители и умножители частоты ДЧ и УЧ.

Делители частоты понижают частоту ОГ f₀ 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 (f₀), 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 f₁ + f₂, на выходе второго f₁ + f₂ + f₃, на выходе третьего f₁ + f₂ + f₃ + f₄.

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 f₀, формируемой в БОЧ, второе является продуктом преобразования колебаний УГ в смесителе с помощью сетки частот f₀₁ с БОЧ

f_ПР = f_УГ – f₀₁.

Если f_ПР и f₀ близки по величине, то с выхода ФД управляющее напряжение скомпенсирует расстройку УГ и f_ПР = f₀, 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=f₀.

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: f₁=f₂, 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.