Размещено на http://www.allbest.ru/

Колледж космического машиностроения и технологий

Курсовая работа

по МДК 01.01 Приемо-передающие устройства, линейные сооружения связи и источники электропитания

Тема: Частотная АПЧ. Фазовая АПЧ. Цифровой синтезатор частот

Руководитель курсовой работы: Синицин К.А.

Королев, 2021 г.

Содержание

Введение

1. Частотная АПЧ

2. Фазовая АПЧ

3. Переходной процесс в системе ФАПЧ

4. Цифровой синтезатор частот

5. Цифровой синтезатор

6. Основные элементы цифрового синтезатора частот

Список литературы

Введение

Основные типы систем АПЧ

Система автоматической подстройки частоты (АПЧ) должна обеспечить требуемую точность настройки приемника при воздействии дестабилизирующих факторов.

Источником частотной нестабильности приемника является гетеродин. Случайные изменения частоты гетеродина приводят к изменениям промежуточной частоты .

В супергетеродинном приемнике должно выполняться равенство номинальных (расчетных) значений промежуточной частоты и частоты настройки фильтров УПЧ . При соблюдении этого условия изменения спектра сигнала оказываются минимальными, так как все его составляющие располагаются внутри полосы пропускания П тракта УПЧ. В реальной ситуации текущие значения , и отличаются от расчетных, поскольку на аппаратуру воздействуют различные дестабилизирующие факторы (изменение температуры, влажности и т. д.), всегда имеются погрешности в регулировке отдельных каскадов, ошибки в измерениях и др. Кроме того, частота может изменяться вследствие эффекта Доплера.

В результате между

|± ±

и , а также между и возникают расстройки:

- .

Как следствие, расходятся между собой и частоты и , так что

- =

Если расстройки настолько велики, что значительная часть боковой полосы спектра сигнала оказывается вне П, то это приводит к существенным линейным искажениям принятого сообщения.

Устранение расстройки может быть достигнуто воздействием на , либо на , так как от параметров приемника не зависит. На практике второй способ не применяется, так как в качестве фильтров в УПЧ используются сложные избирательные структуры на сосредоточенных или распределенных реактивных элементах, перестройка которых возможна только в весьма небольших пределах. Поскольку вклад в результирующую нестабильность отклонений пренебрежимо мал, подстройка частоты гетеродина должна устранить влияние только его собственной нестабильности и нестабильности частоты принимаемого сигнала.

С развитием техники радиоприема, и в первую очередь с переходом на СВЧ и более высокочастотные диапазоны (fc > 30 МГц), с повышением помехозащищенности, а также с улучшением эксплуатационных показателей аппаратуры возникла необходимость в автоматизации процесса подстройки частоты гетеродина. Были разработаны специальные радиотехнические устройства, получившие по своему первоначальному предназначению наименование систем автоматической подстройки частоты (АПЧ). Последние являются одной из разновидностей обширного класса систем автоматического регулирования (САР).

Для осуществления АПЧ в приемник вводится специальная цепь, упрощенная структурная схема которой приведена на рис. 1.22.,



Рис. 11.22

где ИЭ - измерительный элемент; Ф - фильтр; РЧ - регулятор частоты; Г гетеродин.

Различают следующие виды АПЧ в зависимости от вида измерительного элемента (ИЭ):

-- частотной автоматической подстройкой частоты (ЧАПЧ), где в качестве ИЭ используется частотный детектор (дискриминатор) ЧД, который оценивает отклонение частоты напряжения на входе цепи АПЧ от эталонного значения;

-- фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ), где в качестве ИЭ используется фазовый детектор ФД, оценивающий отклонение фазы напряжения на входе цепи АПЧ от фазы эталонного (опорного) напряжения.

В зависимости от типа цепи или узла РПрУ, дающего опорное значение частоты, с которым сравнивается частота подстраиваемого гетеродина, различают системы, в которых частота колебаний в РПрУ сравнивается:

-- с частотой, при которой пассивная цепь приобретает какие-либо характерные свойства (резонанс, либо баланс мостовой цепи и т. д.);

-- с частотой стабильного гетеродина;

-- с опорными частотами обоих видов (смешанные системы).

Схема, в которой за опорную частоту принимается резонансная частота цепи ЧД, имеет вид, представленный на рис. 1 1.23.



Рис. 11.23

Обычно частота, при которой характеристика ЧД проходит через (), соответствует настройке УПЧ. При уходе частоты гетеродина изменяется значение fnp, на выходе ЧД вырабатывается напряжение соответствующего знака и величины. Задача ФНЧ (как и в системе с АРУ) подавить "продукты" частоты модуляции.

Схема, в которой сравниваются частота на выходе УПЧ Йјр и частота опорного генератора (ОГ), имеет вид, представленный на рис.

11.24.

Рис. 11.24

На рис. 11.25 представлена смешанная схема, в которой колебания подстраиваемого генератора Г и опорного генератора ОГ с частотами fr и fo действуют на смеситель СМ и получаемое напряжение разностной частоты f - f f подается на вход опорного ЧД с частотой "нуля", равной fnpo. При отклонении от f на выходе ЧД вырабатывается напряжение, действующее на управляющую цепь гетеродина и подстраивающее его.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11.25

1. Частотная АПЧ

Частотная АПЧ - устройство или метод автоматического изменения и удержания необходимой частоты электрических колебаний генератора. Метод заключается в автоматической дополнительной регулировке частоты генератора, по информации о рассогласовании частоты из цепи обратной связи. автоматический генератор колебание

Система ЧАНЧ

В системах ЧАПЧ в качестве измерительного элемента используется частотный детектор (дискриминатор), а в качестве РЧ используются варикапы (электронный РЧ) или чувствительный электродвигатель (электромеханический РЧ), который с помощью редуктора связан с конденсатором гетеродина. Для того чтобы управляющее напряжение, подводимое от ЧД, подстраивало, а не расстраивало частоту, - характеристики РЧ и ЧД (управляющей цепи) должны быть согласованы (рис. 11.26).

Абсолютный уход преобразованной частоты должен быть равен остаточной расстройке гетеродина. Т. е. для осуществления АПЧ крутизна ЧД и крутизна РЧ должны иметь противоположный знак.

х-ка Р Ч	"-ка ЧД

Рис. 11.26

Функциональная схема системы ЧАПЧ приведена на рис. 1 1.27.

Рис. 11.27

Схема состоит из смесителя и усилителя промежуточной частоты, входящих в линейный тракт приемника. Изменения частоты принимаемого сигнала (t) (задающего воздействия) должны отслеживаться регулируемой (выходной) величиной (t) с тем, чтобы разность между ними в любой момент была возможно более близкой к . Этот эффект достигается благодаря сравнению в ЧД мгновенного значения частоты f11P(t) с внутренним параметром частотного детектора - переходной частотой . Сигнал ошибки (t) после прохождения через ФНЧ и усиления в УПТ преобразуется в управляющее напряжение , приложенное к РЧ. Под воздействием частота (t) изменяется на в сторону уменьшения рассогласования между (t) и (t). РЧ обычно входит в колебательный контур автогенератора - гетеродина (Г), поэтому часто РЧ и Г объединены в одно звено.

Пусть из-за дестабилизирующих факторов частота Г, равная Й, изменилась на величину, равную Мнач. После срабатывания системы ЧАПЧ происходит подстройка частоты гетеродина, в результате чего его расстройка уменьшается на .

В установившемся режиме

, где - остаточная расстройка гетеродина после установления процессов в системе ЧАПЧ.

Расстройка на выходе УПЧ вызывает появление напряжения Uчд на выходе ЧД. Если характеристика ЧД линейна и имеет крутизну , то

Uчд = (14.2)

После фильтрации с коэффициентом передачи по постоянному току Кф

ф (14.3)

С помощью напряжения производится подстройка частоты гетеродина. Если характеристика РЧ линейна и крутизна равна тогда

(14.4)

Учитывая, что -- получаем

(14.5)

Или

Таким образом, выражение (14.6) показывает, что цепь АПЧ уменьшает в несколько раз. Отношение расстройки преобразованной частоты при разомкнутом кольце АПЧ к той же расстройке при замкнутом называют коэффициентом подстройки АПЧ:



В реальных цепях ЧАПЧ

Если < 1 расстройка при замыкании кольца АПЧ возрастает, т. е. система неустойчива. Исследование знака произведения в широкой области расстроек позволяет выяснить область устойчивой и эффективной работы системы.

Важной характеристикой системы АПЧ является зависимость от . Зависимость

=

называют характеристикой регулирования (рис. 11.28).

Если система АПЧ отсутствует, то

= 1,

Если АПЧ работает, то при отклонении частоты от номинального значения, растет следом увеличивается однако на начальном участке характеристики оа (оа') отклонение невелико по сравнению с вызывающим его изменением частоты . Цепь АПЧ работает, пока отклонение частоты не превышает значение , определяемое рабочим участком характеристики ЧД : ?.



При увеличении расстройки система выходит за рамки рабочего участка ЧД, напряжение на выходе ЧД падает до нуля. Система скачкообразно переходит в режим отсутствия АПЧ ( 1). На рис. 11.28 этому состоянию системы соответствует скачок характеристики из точки а (а') в точку Ь (b'), далее она пойдет по участку bc (b'c').

При обратном ходе процесса вначале частота находится далеко за пределами характеристики ЧД и нет воздействия на РЧ, так как

В точке d (d') на выходе ЧД появится заметное напряжение, которое уменьшит частоту гетеродина, вызовет напряжение и т. д. Точка d (d') неустойчива и происходит перескок на участок оа (оа').

Характеристика имеет аналогичный вид при расстройке в другую сторону от точки ().

На рис. 11.28 можно выделить две характерные области частот для приемника с АПЧ:

-- полоса удержания Пуд (от 0 до а и от 0 до а'), это полоса расстроек в которых система АПЧ удерживает преобразованную частоту близкой к правильному значению, при выходе за которую АПЧ перестает работать;

-- полоса захвата (схватывания) Пзах (от d до d'), это полоса расстроек частот, при которой происходит восстановление АПЧ. Эта полоса расстроек близка к полосе пропускания приемника. При введении преобразованной частоты сигнала в эту полосу происходит захват настройки приемника системой АПЧ. Для цепи АПЧ выполняется условие П уд > Пзах*

Работа АПЧ может нарушаться при замираниях сигнала, поэтому для повышения ее устойчивости применяют специальные меры:

-- меняют постоянную времени фильтра;

-- используют автоматический поиск сигнала при его пропадании;

-- применяют системы АПЧ, у которых полосы захвата и удержания мало отличаются друг от друга.

В системах ЧАПЧ требования к фильтрам аналогичны случаю АРУ. Т. е. в системах ЧАПЧ, как правило, во избежание самовозбуждения, не применяют фильтры с числом звеньев более двух.

2. Фазовая АПЧ

Система ФАПЧ

Структурная схема системы ФАПЧ представлена на рис. 1 1.29

В системах ФАПЧ в качестве ИЭ используется фазовый детектор, статическая дискриминационная характеристика которого имеет вид, изображенный на рис. 11.30.

	ИФД
	О

Рис. 11.30

Сигнал ошибки зависит от разности фаз сравниваемых в ФД колебаний с частотой и опорной частотой , формируемой в опорном (эталонном) генераторе ОГ. Стабильность частоты обеспечивается кварцевым резонатором. При отклонении опр от напряжение будет стремиться устранить это расхождение, изменяя частоту колебаний гетеродина.

При отличии частот, подводимых к ФД, разность фаз равна текущей фазе ?(t) напряжения разностной частоты :

где до -- ; ц0 - постоянная величина.

На выходе ФД получается переменное напряжение разностной частоты

Если частоты равны ( ), то разность фаз колебаний генераторов будет неизменной, и равной ц0, т.е. постоянство разности фаз свидетельствует о равенстве частот (До = 0). Это установившийся режим.

Установившийся режим в замкнутом кольце ФАПЧ возможен только при ()фД = 0, т.е. возможна автоподстройка с точностью до постоянной разности фаз (Р().

Характеристика регулирования системы ФАПЧ, приведенная на рис. 11.31, представляет собой зависимость средней разности частот (частота биений) от начальной расстройки.

Прямая наклонная линия отображает зависимость в разомкнутой системе ФАПЧ.

При малых значениях начальной расстройки ????нач частота равна частоте ОГ . При некотором значении начальной расстройки (точка а или а') система ФАПЧ переходит в режим биений (точка b или b'), при котором среднее значение частоты Г отличается от частоты ОГ.

Области начальных расстроек между точками 0 и а (а') называют полосой удержания. Величина Пуд определяется разностью граничных значений частоты Г, соответствующих наибольшему и наименьшему напряжениям на РЧ. Область начальных расстроек между точками 0 и с (с'), в которой при любых начальных условиях устанавливается режим удержания, называют полосой захвата.

3. Переходной процесс в системе ФАПЧ

В момент включения системы наблюдается режим биений, так как частоты Г и ОГ не равны. В зависимости от знака напряжения биений разность частот то повышается, то снижается, так как напряжение генератора Г модулируется по частоте напряжением биений. Длительности положительных и отрицательных полуволн напряжения биений получаются разными и на выходе ФД образуется постоянная составляющая напряжения, которая вызывает изменение частоты биений относительно начальной расстройки. Если начальная расстройка не выходит за пределы полосы захвата, то постоянная составляющая снижает частоту биений до нуля и возникает режим удержания.

Переходной процесс будет апериодическим, если

где

-- постоянная времени ФНЧ.

В противном случае переходный процесс будет колебательным.

Основное уравнения автономной системы ФАПЧ

Для однопетлевой системы ФАПЧ (11.32) положим, что в начальный момент напряжение на входе РЧ равно нулю ( = 0).



Тогда начальная расстройка Г относительно ОГ равна

(15.1)

где ??го - угловая частота Г при разомкнутой цепи управления.

При замыкании цепи управления угловая частота примет значение

(15.2)

где Sрч - мгновенная расстройка, создаваемая регулятором частоты.

Пренебрегая переходным процессом в Г и полагая, что характеристика РЧ линейная, можно записать

(15.3)

где Spч - крутизна характеристики регулятора частоты (рад/сек); - мгновенное напряжение на входе РЧ (на выходе ФНЧ).

Напряжение на выходе ФНЧ связано с напряжением

 (15,4)

где Кр - коэффициент передачи ФНЧ в операторной форме;

(р) - символ, указывающий дифференцирование по времени да.

Обозначим наибольшее значение модуля напряжения на выходе (Т)Д как ш-ЈфДтах тогда получим

(15.5)

Где F(ц) - нормированная характеристика ФД, которая определяется как отношение мгновенного значения напряжения к наибольшему по модулю;

ц - мгновенная разность фаз напряжений Г и ОГ.

Подставляя (15.4) и (15.5) в (15.3), получаем значение расстройки, вносимой управляющей цепью:

(15.6)

Величина SpчUфд тах определяет максимально возможную расстройку, которую может компенсировать РЧ, т.е. полосу удержания ??уд. Тогда (15.6) запишем в виде

(15.7)

Подставив (15.7) в (15.2), получим
	(15.8)

Мгновенное значение разности фаз связано с мгновенным значением разности частот выражением

где ц0-- разность фаз при t = 0. В операторной форме (15.9) запишем Заменим ??г выражением (15.8):	(15.9)
Преобразовав (15.10), получим	(15.10)
Учитывая (15.1) запишем	(15.11)
	(15.12)

Это основное дифференциальное уравнение системы ФАПЧ. Оно показывает, что в любой момент времени в замкнутой системе ФАПЧ алгебраическая сумма мгновенной разности частот рср и расстройки, вносимой управляющей цепью, равна постоянной величине (начальной расстройке).

Точное решение нелинейного дифференциального уравнения (15.12) возможно, только если оно имеет первый порядок К(р) = 1. Во всех остальных случаях используют приближенные способы решения.

В результате сравнения ФАПЧ с системой ЧАПЧ можно сделать следующие выводы:

-- система ФАПЧ не требует согласования характеристик дискриминатора и регулятора частоты;

-- система ФАПЧ обеспечивает более высокую точность подстройки частоты и применяется там, где этот параметр особенно важен;

-- схема системы ФАПЧ более сложна, а также более сложны ее настройка и регулировка.

Области применения систем ФАПЧ. На практике часто, даже при высокой относительной нестабильности гетеродина РПрУ, отклонение преобразованной частоты может выйти за пределы полосы захвата или удержания. Для надежной настройки РПрУ система ФАПЧ дополняется устройством автопоиска положения точной настройки. Пример поисковой схемы имеет вид, представленный на рис. 11.33.

Рис. 11.33

Система дополняется генератором автопоиска (ГАП) и блоком остановки автопоиска (БОА). Частотная модуляция Г должна быть столь глубокой, чтобы превзойти полосу захвата (попасть в эту полосу). При появлении сигнала в тракте ПЧ срабатывает БОА и система работает как обычная ФАПЧ. Автопоиск применяют и в устройствах с ЧАП.

Системы ФАПЧ широко используют для построения следящих фильтров, которые автоматически перестраиваются при изменении частоты сигналов. Схема построения такого фильтра имеет вид, представленный на рис. 11.34.

Рис. 11.34

Слежение за частотой сигнала осуществляется гетеродином, управляемым системой ФАПЧ. Малая шумовая полоса кольца ФАПЧ обеспечивается узкополосным фильтром УФ. Для расширения полос захвата и удержания при узкополосном фильтре используют дополнительное кольцо ЧАП, причём максимальная ошибка системы ЧАП должна быть меньше полосы захвата системы ФАП.

Такие фильтры (рис. 11.34) позволяют выделить сигнал в узкой полосе частот порядка десятков и даже единиц герц.

Выше при изучении принципа работы АПЧ считалось, что в системах обрабатываются непрерывные (аналоговые) сигналы. Такой подход, облегчающий понимание сути явлений, не может считаться исчерпывающим, поскольку в настоящее время широчайшее распространение получили цифровые методы передачи и приёма информации. Эти тенденции, чётко прослеживаемые и в методах построения АПЧ, превращают последние в импульсные или (в более общем случае) в цифровые системы автоматического регулирования (САР). Функциональное назначение и конечный эффект работы такого рода систем остаются теми же, что и в рассмотренных аналоговых АПЧ, несмотря на более сложные физические процессы, происходящие в них, и процедуры математического анализа. Переход на цифровую элементную базу позволяет добиться резкого улучшения электрических, массогабаритных, энергетических и других характеристик устройств, органической частью которых являются системы АПЧ.

4. Цифровой синтезатор частот

Синтезатор частот - устройство для генерации периодических сигналов (гармонических колебаний, или электрических тактовых сигналов) с определёнными частотами с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприёмниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или ёмкости, очень широкий диапазон перестройки без каких-либо коммутаций и практически мгновенное переключение на любую заданную частоту.

5. Цифровой синтезатор

В отличие от традиционных (аналоговых) решений, цифровые синтезаторы используют цифровую обработку для получения требуемой формы выходного сигнала из базового (тактового) сигнала. Сначала с помощью фазового аккумулятора создаётся цифровое представление сигнала, а затем генерируется и сам выходной сигнал (синусоидальной или любой другой желаемой формы) посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Скорость генерации цифрового сигнала ограничена цифровым интерфейсом, но весьма высока и сопоставима с аналоговыми схемами. Цифровые синтезаторы также обеспечивают довольно малый уровень фазовых шумов. Однако основным достоинством цифрового синтезатора является исключительно высокое разрешение по частоте (ниже 1 Гц), определяемое длиной фазового аккумулятора. Главные недостатки - ограниченный частотный диапазон и большие искажения сигнала. В то время как нижняя граница рабочего диапазона частот цифрового синтезатора находится близко к нулю герц, его верхняя граница, в соответствии с теоремой Котельникова, не может превышать половины тактовой частоты. Кроме того, реконструкция выходного сигнала невозможна без фильтра нижних частот, ограничивающего диапазон выходного сигнала приблизительно до 40% тактовой частоты.

Другая серьезная проблема - высокое содержание нежелательных спектральных составляющих из-за ошибок преобразования в ЦАП. С этой точки зрения цифровой синтезатор ведёт себя как частотный смеситель, генерирующий побочные составляющие на комбинационных частотах. В то время как частотное местоположение этих составляющих можно легко вычислить, их амплитуда гораздо менее предсказуема. Как правило, искажения более низкого порядка имеют наиболее высокую амплитуду. Тем не менее, искажения высокого порядка также приходится учитывать при разработке архитектуры конкретного синтезатора. Амплитуда паразитных спектральных составляющих увеличивается и с увеличением тактовой частоты, что также ограничивает диапазон генерируемых частот. Практические значения верхней границы диапазона находятся в районе от нескольких десятков до нескольких сотен мегагерц при уровне дискретных спектральных продуктов -50…-60 дБн. Очевидно, прямое умножение выходного сигнала частотного синтезатора невозможно из-за дальнейшей деградации спектрального состава.

Существует много аппаратных и программных решений, призванных улучшить спектральный состав цифрового синтезатора. Аппаратные методы обычно основаны на переносе сигнала цифрового синтезатора вверх по частоте и его последующем делении.

Этот метод уменьшает содержание нежелательных спектральных продуктов на 20 дБ/октаву. К сожалению, при этом также уменьшается диапазон генерируемых частот. Для расширения диапазона частот на выходе синтезатора приходится увеличивать число базовых частот и фильтров - подобно тому, как это делается в аналоговых схемах.

Программные методы основываются на том, что частоты побочных искажений синтезатора являются функцией частоты дискретизации ЦАП. Таким образом, для каждой конкретной выходной частоты синтезатора побочные искажения могут быть сдвинуты по частоте (а в дальнейшем и отфильтрованы) путём изменения частоты дискретизации ЦАП. Этот метод особенно эффективен, если тактовые импульсы для ЦАП генерировать с использованием систем на основе ФАПЧ. Следует отметить, что программный метод работает достаточно эффективно для подавления искажений относительно малого порядка. К сожалению, плотность дискретных спектральных продуктов обычно увеличивается пропорционально их порядку. Поэтому программным методом удается отфильтровать искажения только до уровня -70…-80 дБн.

Таким образом, из-за ограниченного диапазона частот и высокого содержания нежелательных спектральных продуктов цифровые синтезаторы редко используются для непосредственного генерирования СВЧ сигнала. В то же время их широко применяют в более сложных аналоговых и ФАПЧ системах, чтобы обеспечить высокое разрешение по частоте.

Синтезаторы с ФАПЧ

Типичный однопетлевой синтезатор с ФАПЧ включает в себя перестраиваемый генератор, управляемый напряжением (ГУН), сигнал которого после требуемого (программируемого) деления по частоте доставляется ко входу фазового детектора (PD) Другой вход фазового детектора подключен к источнику опорного сигнала (reference), частота которого равна требуемому частотному шагу. Фазовый детектор сравнивает сигналы на обоих входах и генерирует сигнал ошибки, который после фильтрации и усиления (при необходимости) подстраивает частоту ГУН к где FREF - частота опорного сигнала на входе фазового детектора.

Главными преимуществами схем на основе ФАПЧ являются более чистый спектр выходного сигнала, обусловленный эффективным использованием фильтра нижних частот (ФНЧ), и значительно меньшая сложность устройства по сравнению с аналоговыми синтезаторами. Основной недостаток - большее время перестройки и значительно более высокий уровень фазового шума по сравнению с аналоговыми схемами. Фазовый шум синтезатора в пределах полосы пропускания фильтра ФАПЧ равен где лPD - пересчитанный ко входу фазового детектора суммарный уровень фазовых шумов опорного сигнала, фазового детектора, фильтра и усилителя цепи обратной связи. Таким образом, фазовый шум зависит от коэффициента деления частотного делителя, который, чтобы обеспечить требуемое разрешение по частоте, может быть довольно большим. Так, для получения сигнала на частоте 10 ГГц с разрешением 1 МГц коэффициент деления должен быть равен 10000, что соответствует увеличению фазового шума на 80 дБ. Кроме того, программируемые делители используются на относительно низких частотах, что требует введения дополнительного высокочастотного делителя с фиксированным коэффициентом деления (prescaler - PS). В результате увеличивается суммарный коэффициент деления петли обратной связи и, как следствие, возрастает фазовый шум. Очевидно, такая простая схема не позволяет использовать шумовые возможности современных малошумящих генераторов опорного сигнала. В итоге однопетлевые схемы с ФАПЧ применяются редко, а именно, в системах с низкими требованиями к качеству генерируемого сигнала.

Основные характеристики синтезатора можно значительно улучшить, включив частотный преобразователь (смеситель) в цепь обратной связи. При этом сигнал ГУН переносится вниз по частоте, что позволяет значительно уменьшить коэффициент деления цепи обратной связи. Опорный сигнал смесителя генерируется с помощью дополнительной петли ФАПЧ (многопетлевые схемы) или умножителя частоты. Удачным решением является применение смесителя гармоник, который использует многочисленные гармоники опорного сигнала, генерируемые встроенным в смеситель диодом. Смеситель гармоник позволяет значительно упростить конструкцию синтезатора. При этом следует отметить исключительно высокую чувствительность данного типа смесителя к параметрам отдельных элементов схемы, оптимизация которых - далеко не тривиальная задача. В зависимости от конкретных требований к фазовым шумам и разрешению по частоте возможно введение большего числа смесительных каскадов, что, однако, усложняет конструкцию синтезатора. Другой проблемой, связанной с применением схем, основанных на частотном преобразовании, является ложный захват частоты (например, при использовании зеркального канала смесителя). Поэтому необходимо предварительно достаточно точно настроить частоту ГУН, например с помощью ЦАП. Это, в свою очередь, требует исключительно высокой линейности (и повторяемости) зависимости выходной частоты ГУН от управляющего напряжения в рабочем температурном диапазоне, а также точной калибровки ГУН для компенсации температурного дрейфа данной зависимости. Кроме того, цифро-аналоговые преобразователи обычно отличаются повышенным уровнем шумов, что влияет на шумовые характеристики синтезатора и требует выведения ЦАП из петли ФАПЧ после предварительной настройки на требуемую частоту.

Снизить суммарный коэффициент деления можно и путём использования дробных коэффициентов деления - делением частоты на N+1 каждые М периодов сигнала и делением на N в течение остального промежутка времени. В этом случае усредненный коэффициент деления равен где N и М - целые числа. Для заданного размера частотного шага схемы с дробным коэффициентом деления позволяют использовать более высокую частоту сравнения на входе фазового детектора, что приводит к уменьшению фазового шума и увеличению скорости перестройки синтезатора. Основной недостаток техники дробного деления - повышенное содержание негармонических спектральных составляющих из-за фазовых ошибок, присущих механизму дробного деления.

6. Основные элементы цифрового синтезатора частот

Поясним, что под термином "цифровой синтезатор частот", применительно к системам импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП), мы понимаем цифровые, использующие в основном цифровую схемотехнику, элементы кольца ИФАП:

· тракт формирования частоты опорного сигнала;

· тракт приведения частоты перестраиваемого генератора (ГУН) или Voltage Controlled Oscillator (VCO);

· частотно-фазовый детектор (ЧФД) или Phase Frequency Detector with Charge Pump.

Тракт формирования частоты опорного сигнала представляет собой делитель с фиксированным целочисленным коэффициентом деления (ДФКД) или Reference Divider, а его коэффициент деления может устанавливаться внешним управляющим словом, например, от 1 до 16384.

Тракт приведения частоты перестраиваемого генератора - это делитель с переменным коэффициентом деления в N раз (ДПКД) или Divider with a float factor of division, integer-N Divider, его коэффициент деления также устанавливается внешним кодом и может изменяться с единичным шагом.

В низкочастотных синтезаторах (например, в ADF4001) тракт деления частоты ГУН в N раз выполнен на обычных счетчиковых делителях частоты ДПКД, поскольку используемая технология КМОП (CMOS) позволяет реализовывать триггеры счетчика со временем переключения до 4-6 нс.

Поэтому и тракт деления частоты опорного генератора ДФКД обеспечивает надёжную работу синтезатора до значений МГц (например, в ADF4106). Следует отметить, что все синтезаторы серии ADF4000 обеспечивают минимальный коэффициент деления опорной частоты.

Введение "прескалера", или двухмодульного предварительного делителя частоты, позволило поднять рабочую частоту ДПКД до современных значений (например, до 4 ГГц у синтезатора ADF4113 и до 6 ГГц у синтезатора ADF4106). Минимальный модуль прескалера позволяет обеспечить NMIN = 56.

Любой прескалер состоит из поглощающего счетчика Swallowing Counter и схемы поглощения импульса . Суммарная задержка переключения этих узлов не должна быть кратной периоду входного колебания, то есть активные перепады входных и управляющих импульсов не должны совпадать. В противном случае возникает эффект "состязаний" и устройство начинает работать со сбоями. На практике стараются, чтобы величина суммарной задержки в прескалере не превышала минимального периода входного колебания. Иными словами, задержка в прескалере определяет максимальную рабочую частоту микросхемы.

Интересной особенностью работы прескалера в синтезаторах ADF4110(1/2/3) является так называемый режим ресинхронизации, или восстановления синхронизации входной радиочастоты на выходе прескалера - resynchronizing the prescaler output.

В режиме синхронизации работы прескалера моменты его переключения из режима "деление на N " в режим "деление на N " стробируются частотой входного сигнала RF. Стробирование уменьшает фазовый шум - делителя (джиттер), но предъявляет более жёсткие требования к величине и стабильности внутренних задержек микросхемы. Поэтому максимальная входная частота на входе RF, при которой синтезатор надёжно работает, может уменьшиться.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82#%D0%A6%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B

2. https://ies.unitech-mo.ru/files/upload/journal/27949/%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB_%D0%BD%D0%B0_21_04_20.pdf

3. https://ies.unitech-mo.ru/files/upload/journal/27949/%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB_%D0%BD%D0%B0_17_04_20%20(1).pdf

4. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991 - 264 с

Размещено на Allbest.ru