6

6.5 Применение ФАПЧ в синтезаторах частот

Синтезаторы частот (СЧ) делятся на активные (косвенные) и пассивные (прямые) [1…3, 13…16]. Первые широко используют цепи ФАПЧ. Рассмотрим применение ФАПЧ для формирования сетки высокостабильных частот на примере схемы, представленной на рисунке 6.30. Частота эталонного термостатированного кварцевого генератора ЭГ делится в М раз делителем с фиксированным коэффициентом деления ДФКД до значения F_Ш = f_Э / М, соответствующего шагу сетки частот (разрешающей способности), то есть минимальному расстоянию между соседними частотами сетки. Напряжение этой частоты поступает на вход ФД, на второй вход которого подано напряжение частоты управляемого генератора ГУН, поделенной делителем с переменным коэффициентом деления ДПКД до значения F_Ш =f/ N. Точное равенство частот f_Э / М и f / N обеспечивает кольцо ФАПЧ в синхронном режиме. Из равенства f_Э / М = f / N следует частота на выходе синтезатора f = Nf_Э / М. Изменяя N, можно получить любую дискретную частоту с шагом, равным f_Э / М. Изменение коэффициента деления в ДПКД осуществляется системой управления СУ в ручном или автоматическом режиме (при помощи микрокомпьютера). Если полоса захвата в кольце ФАПЧ меньше шага сетки частот, то ФАПЧ дополняется цепью ЧАПЧ.

ЭГ ДФКД ФД ФНЧ ГУН

f_Эf_Э /MU_Уf

f / N ДПКД

от СУ

Рисунок 6.30

Относительная нестабильность синтезируемой частоты f равна относительной нестабильности частоты эталонного генератора f_Э и составляет величину порядка 10^-6…10^-8.

Описанная схема может служить также типовым узлом более сложных синтезаторов, в частности декадных.

Синтезаторы частот можно выполнять на аналоговой либо цифровой элементной базе или в смешанном аналого-цифровом виде. В первом случае синтезатор называется аналоговым, во втором и третьем – цифровым (ЦСЧ).

Рассмотрим схему СЧ с импульсной частотно-фазовой АПЧ (рисунок 6.31). На рисунке 6.31 кольца импульсных ЧАПЧ и ФАПЧ очерчены соответственно штрихпунктирными линиями. К импульсной ЧАПЧ относится импульсный частотный детектор ИЧД, реверсивный счетчик импульсов РСИ, ЦАП, делители частоты с переменным (N) и фиксированным (М) коэффициентами деления (ДПКД и ДФКД), формирователи импульсных последовательностей ФИП и управляемый генератор ГУН.Импульсная ФАПЧ включает в себя импульсный фазовый детектор ИФД с ФНЧ и общие с ЧАПЧ звенья: делители с фиксированным и переменными коэффициентами деления (ДФКД и ДПКД), управляемый генератор ГУН и формирователи импульсных последовательностей ФИП. Здесь ГУН и ФНЧ – аналоговые, хотя в принципе они могут быть цифровыми, однако во всех случаях сигнал на выходе СЧ должен быть близким к гармоническому („ чистым ”).

ЧАПЧ ИЧД

Код ГН

ЭГ ФИП ДФКД ГУН

f_Эf_Эf

U_У

ДПКД ФИП

от СУ

ИФД

ФНЧ

ФАПЧ

Рисунок 6.31

Делители ДПКД и ДФКД представляют собой счетчики импульсов. Коэффициент деления (в том числе и дробный) ДПКД выбирается с помощью подачи кодированной команды от системы управления (СУ). Для смены рабочей частоты достаточно изменить значение N.

Поскольку частота ГУН f на несколько порядков больше шага сетки частот

F_Ш, а полоса захвата ∆f_З импульсной ФАПЧ гораздо меньше F_Ш, то при включении СЧ или в процессе перехода с одной частоты на другую необходима начальная грубая настройка (ГН) частоты ГУН для введения ее в полосу захвата. Это выполняется при помощи цепей импульсной ЧАПЧ. Остаточная расстройка ∆f_ОСТ в импульсной ЧАПЧ должна быть меньше ∆f_З, чтобы в фазовом кольце произошел захват и наступил стационарный режим (синхронизм). Окончание этапа грубой настройки (поиска) индицируется ИЧД, который выдает специальный сигнал, разрешающий работу импульсной ФАПЧ.

В реальных схемах СЧ вместо двух колец регулирования используется одно – импульсная частотно-фазовая АПЧ с датчиком рассогласования типа импульсного частотно-фазового детектора, работающего в режимах частотного и фазового детектирования.

Для улучшения характеристик СЧ с импульсной ФАПЧ применяется принцип трансформации шага сетки частот, реализуемого в многокольцевых структурах систем автоподстройки.

ЭГ ФИП ДФКД₁ ИФД₁ ГУН₁

f_Эf_Э /M₁f₁

f₁/N₁ДПКД₁ФИП

Кольцо ФАПЧ - 1 от СУ

f

ДФКД ФИП ИФД ГУН

f₁/10²

ФИП ПЧ

f₂-f

Суммирующее

кольцо ФАПЧ

ФИП ДФКД₂ ИФД₂ ГУН₂f₂

f_Э/M₂

f_Э/N₂ ДПКД₂ ФИП

Кольцо ФАПЧ - 2 от СУ

Рисунок 6.32

Получить малый шаг перестройки с широким диапазоном изменения частоты на выходе СЧ можно, используя два (или более) кольца ФАПЧ и кольцо сложения (рисунок 6.32). Оба кольца ФАПЧ построены по принципу схемы, приведенной на рисунке 6.30 с добавлением формирователей импульсных последовательностей ФИП от одного высокостабильного эталонного генератора ЭГ. На выходе первого кольца частота f₁ = N₁f_Э / М₁, на выходе второго кольца f₂ = N₂f_Э / М₂. Частота f₁ с выхода первого кольца делится в 100 раз и совместно с частотой f₂второго кольца используется для формирования сетки выходных частот синтезатора в суммирующем кольце. Оно состоит из ИФД, ГУН, ФИП и преобразователя частоты ПЧ, на который подаются напряжения частоты f с выхода ГУН и частоты f₂ с выхода второго кольца ФАПЧ. На выходе ПЧ выделяется напряжение частоты (f₂ – f) и после формирователя ФИП подается на ИФД, на второй вход которого подана импульсная последовательность с частотой f₁/10². В режиме синхронизации из равенства f₂ – f = f₁/10² следует значение частоты на выходе СЧ: f = f₂ + 10^–2f₁= f_Э(N₂/ M₂ + 10^-2N₁/ M₁).

Таким образом, кольцо ФАПЧ –1 формирует мелкую сетку выходных частот с шагом F_Ш1 = 10^-2f_ЭN₁/ M₁, а кольцо ФАПЧ – 2 – крупную сетку выходных частот с шагом F_Ш2 = f_ЭN₂/ M₂. На выходе СЧ получается колебание с частотным шагом F_Ш1. Подобный принцип построения СЧ широко используется в современных радиоприемных устройствах.

2.48