Синтезаторы частот

Синтезатор частот представляет собой устройство, обеспечивающее формирование множества частот из одной или нескольких опорных частот путем использования известных методов синтеза.

Простейшим СЧ, который использовался в первых радиостанциях с кварцевой стабилизацией частоты, был возбудитель с набором кварцев, которые переключались с помощью электромеханической системы. В этом случае каждой рабочей частоте радиостанции соответствует свой кварц. В дальнейшем стали использовать принцип преобразования частот нескольких кварцевых генераторов. Такие СЧ формируют большое число стабильных частот при небольшом количестве кварцев. Длительное время при построении синтезаторов использовался метод когерентного синтеза, при котором сетка стабильных частот формируется из единственной опорной частоты путем умножения, деления и преобразования этой частоты и ее производных. Разновидностью этого принципа построения СЧ является синтез частот методом гармоник. Очевидным недостатком таких синтезаторов является наличие на выходе его побочных колебаний, которые приходится устранять с помощью весьма сложных и громоздких фильтров. На пути устранения этого недостатка пришли к методу косвенного когерентного синтеза с применением генератора, управляемого напряжением, и петли аналоговой частотной автоматической подстройки частоты.

В последнее время широкое применение в бортовых авиационных радиостанциях получили цифровые синтезаторы частот. Обобщенная структурная схема такого синтезатора приведена на рис. 2.2. Частота f_вых генератора, управляемого напряжением (ГУН), транспонируется в область более низких частот с помощью делителя частоты с постоянным коэффициентом деления (ДЧ2) и делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Затем производится ее сравнение в фазовом детекторе (ФД) с частотой высокостабильного опорного генератора, которая также дополнительно понижается делителем частоты с постоянным коэффициентом деления (ДЧ1). Напряжение ошибки, образующееся на выходе ФД, используется для управления частотой ГУН.

Стабильность частоты такого синтезатора определяется опорным генератором, а сетка рабочих частот — генератором, управляемым напряжением. Оба генератора (ГУН и ОГ) вырабатывают гармонические колебания, которые в схеме СЧ преобразуются в импульсные последовательности с частотами следования, равными частотам соответствующих исходных колебаний. Эта процедура осуществляется с помощью формирователей Ф1 и Ф2. Она дает возможность использовать в схеме СЧ элементы и узлы цифровой техники. Поэтому такие синтезаторы называются цифровыми.

Полученные импульсные последовательности поступают на цифровые делители частоты ДЧ1, ДЧ2 и ДПКД с коэффициентом деления k₁ - в ветви ОГ и k₂, k~ — в ветви ГУН. Деление частоты ОГ необходимо для того, чтобы снизить ее значение до величины f_{φ 0}, на которой работает фазовый детектор. Как правило, частота f_{φ 0} выбирается соизмеримой со значением шага сетки рабочих частот F_шс, которое для бортовых радиостанций находится в пределах от сотен Гц до десятков кГц. В то же время используемые в качестве ОГ кварцевые генераторы имеют лучшие качественные показатели (ТКЧ, добротность, параметры старения кварцевого резонатора) в диапазоне частот 1...10 МГц.

f

f

f

Рис. 2.2. Функциональная схема цифрового синтезатора частот.

Таким образом, на один вход фазового детектора поступает опорное напряжение с частотой f_{φ 0} = f _ог/ k₁, а на другой вход — стабилизируемое напряжение с частотой f_вых/k₂k_∼ . Необходимость деления частоты f _вых очевидна, поскольку ГУН работает в диапазоне частот от единиц до сотен МГц и формирует сетку рабочих частот радиостанции. Делитель с переменным коэффициентом деления является по существу элементом перестройки радиостанции. Делитель ДЧ2 предназначен для уменьшения f _выхв k₂ раз и обеспечения необходимых условий для работы ДПКД.

Захват частоты в схеме ФАП происходит при условии

(2.3)

Тогда частота на выходе СЧ будет определяться как

(2.4)

где F_шс = k₂f_ОГ/ k₁ - шаг сетки рабочих частот синтезатора. Таким образом, путем выбора k~ можно настраивать синтезатор на любую дискретную частоту сетки с шагом, равным F_шс. _.

Стабильность частоты на выходе СЧ определяется исключительно стабильностью ОГ, так как система ФАП является астатической системой авторегулирования первого рода и не вносит ошибок по частоте. В случае отклонения частоты f _вых от номинальных значений на выходе фазового детектора вырабатывается напряжение ошибки, которое подается через фильтр нижних частот (ФНЧ) на управляемый элемент (УЭ) для стабилизации ГУН.

Важным преимуществом цифрового фазового детектора является его способность работать в диапазоне изменения фаз примерно на ± π, что обеспечивает более высокий коэффициент передачи, чем у аналоговых фазовых детекторов. Фильтр нижних частот обеспечивает устойчивость работы петли ФАПна переменном токе. В качестве УЭ для подстройки частоты ГУН обычно применяются диоды с управляемой напряжением емкостью (варикапы).

Благодаря значительным успехам в области техники деления частоты, в настоящее время достигнуто высокое быстродействие делителей с переменным коэффициентом деления, в качестве которых используются, как правило, цифровые делители частоты. Такие делители выполняются на базе интегральных схем и обеспечивают быстродействие до 500 МГц. Значение коэффициента деления устанавливается дистанционно с пульта управления радиостанции. Одновременно с выбором коэффициента деления производится грубая установка ГУНв зону захвата ФАП.

Для получения стабильной сетки рабочих частот необходимо добиваться высокой стабильности частоты ОГ. Именно он определяет стабильность и точность установки частоты в СЧ. В качестве ОГ используются обычно кварцевые генераторы, размещающиеся в термостатах. Значение долговременной относительной нестабильности ОГ можно получить в этом случае около 10^-8... 10^{- 9}.

Рассмотренный СЧ практически не содержит на выходе побочных составляющих, поскольку ГУН работает в режиме гармонических колебаний.