Генератор с автоматической подстройкой частоты

 

Использование: в радиотехнике, например, в качестве гетеродина радиоприемника сигналов с амплитудной и частотной модуляцией. Сущность изобретения: генератор с автоматической подстройкой частоты (АПЧ) содержит высокочастотный автогенератор, делитель частоты, фазовый детектор, опорный генератор, фильтр нижних частот, блок запоминания постоянного напряжения, выполненный из последовательно соединенных аналого - цифрового преобразователя, первого регистра с параллельной записью и цифроаналогового преобразователя, второй регистр с параллельной записью, источник питания, ключ, синхронизатор и логический сумматор. Генератор с АПЧ обеспечивает снижение энерпотребления при использовании прерывистого электропитания цепи цифровой автоподстройки частоты. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано, напримеp, в качестве гетеpодина радиоприемника сигналов с амплитудной и частотной модуляцией в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Известны генераторы с устройствами аналоговой и цифровой автоподстройки частоты (АПЧ) [1] Последние могут обеспечить высокое качество стабилизации частоты как неперестраиваемых, так и перестраиваемых в диапазоне частот генераторов.

Частота автогенератора в таких устройствах делится, затем сравнивается фазовым детектором с высокостабильной опорной частотой, а полученным напряжением рассогласования подстраивается автогенератор. Основной недостаток генераторов с цифровой фазовой АПЧ большое энергопотребление, обусловленное, в первую очередь, энергопотреблением высокочастотных делителей частоты и фазового детектора. Этот недостаток снижают, применяя прерывистое (импульсное) электропитание энергопотребляющих элементов системы цифровой АПЧ-делителя частоты и фазового детектора.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому устройству является устройство синтезатор частоты и портативный приемник радиовызова с таким синтезатором [2] Это устройство содержит последовательно соединенные в кольцо высокочастотный автогенератор электрических колебаний, делитель частоты, фазовый детектор, соединенный вторым входом с источником опорной частоты, фильтр нижних частот, первый коммутатор, устройство запоминания напряжения, выполненное на основе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП), регистра с параллельной записью и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), выход которого подключен к управляющему входу высокочастотного автогенератора, второй коммутатор, прерывающий электропитание делителя частоты и фазового детектора, и синхронизатор (датчик импульсов управления), управляющий коммутаторами и устройством запоминания напряжения.

В известном устройстве с целью снижения энергопотребления периодически прерывается электропитание делителя частоты и фазового детектора. Во время действия импульса управления оба коммутатора открыты, и кольцо фазовой АПЧ замкнуто, в результате чего частота автогенератора синхронизируется опорной частотой, подаваемой на фазовый детектор. В паузах между импульсами коммутаторы зарыты, делитель частоты и фазовый детектор обесточены, кольцо АПЧ разомкнуто, а частота автогенератора поддерживается с помощью напряжения, подаваемого на элемент перестройки автогенератора (варикап) с устройства запоминания напряжения, т.е. с ЦАП. Длительность Т импульса электропитания должна быть достаточной для синхронизации частоты в кольце фазовой АПЦ, а пауза "0" между импульсами выбирается такой, чтобы отклонение (дрейф) частоты автогенератора при разомкнутом кольце АПЧ не превышало допустимой величины.

Поскольку дрейф частоты автогенератора при разомкнутом кольце АПЧ зависит от изменений окружающей температуры, влажности воздуха, нестабильности напряжений электропитания и других дестабилизирующих факторов (старение элементов схемы, самоперегрев аппаратуры), паузу между импульсами управления приходится брать минимальной, т.е. для наихудшего случая с учетом всех дестабилизирующших факторов. При этом уменьшается доля времени, в течение которого обесточены энергоемкие делитель частоты и фазовый детектор, и соответственно ограничиваются возможности уменьшения энергопотребления устройства в целом. Это является недостатком известного устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в генератор с автоматической подстройкой частоты, содержащий кольцо цифровой автоматической подстройки частоты, введены другой регистр с параллельной записью и логический сумматор, что позволяет решить задачу снижения энегопотpебления устройства. Это позволит увеличить продолжительность работы от источника автономного электpопитания (либо уменьшить габариты источника без уменьшения продолжительности работы) и улучшить тепловой режим работы устpойства.

На фиг. 1 пpедставлена функциональная электрическая схема генеpатора с автоматической подстройкой частоты (АПЧ), на фиг.2 диаграммы работы.

Генератор с АПЧ содержит высокочастотный (ВЧ) автогенератор 1, делитель 2 частоты, фазовый детектор (ФД) 3, опорный генератор 4, фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, блок 6 запоминания постоянного напpяжения, выполненный из последовательно соединенных аналого-цифpового преобpазователя (АЦП) 7, первого регистpа 8 с параллельной записью и цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 9, второй регистр 10 с параллельной записью, источник 11 питания, ключ 12, синхронизатор 13, логический сумматор 14. Синхронизатор 13 содержит генератор 15 периодических импульсов, второй и первый логические элементы И 16, 17, второй и первый счетчики 18, 19 импульсов. RS-триггер 20, позиционный дешифратор 21. Возможно выполнение синхронизатора в виде микропроцессора, соединенного с датчиком временных интервалов (на чертеже не показано).

Генератор АПЧ работает следующим образом.

После включения питания в момент времени t_о (см. фиг.2а) генератор 15 начинает вырабатывать периодические тактовые импульсы, например меандр с периодом следования τ (см. фиг.2,а). При включении питания счетчик 19 и RS-триггер 20 устанавливаются в нулевое состояние. Нулевое состояние RS-триггера 20 соответствует замкнутому состоянию ключа 12 (см. фиг.2,б), при котором включено питание делителя 2 и ФД 3. При этом кольцо АПЧ в течение первого периода тактовых импульсов (в течение времени τ ) остается разомкнутым, так как регистр 8 находится в режиме хранения информации. Тактовые импульсы, вырабатываемые генератором 15, через логический элемент и 17 поступают на счетный вход счетчика 19 (см. фиг.2,в). Логические состояния счетчика 19 постоянно дешифрируются позиционным дешифратором 21, который подает управляющие импульсы на вход управления ключом 12 (см. фиг.2,в), на вход записи регистра 10 (см. фиг.2,г), на вход записи счетчика 18 (см. фиг.2,д), на вход выбора режима регистра 8 (см. фиг.2,е), на вход записи регистра 8 (см. фиг. 2,ж) и на S-вход RS-триггера 20 (см. фиг.2,з).

После включения питания делителя 2 и ФД 3 на АЦП 7 появляется код N, соответствующий частоте автогенератора 1 при разомкнутом кольце АПЧ (перед автоподстройкой частоты). Этот код в течение первого периода τ тактовых импульсов переписывается и запоминается регистром 10 (во время импульса, показанного на диаграмме на фиг.2,г). На ЦАП 9 напряжение подстройки частоты через регистр 8 в это время не поступает. Поэтому код М регистра 8 в начале первого цикла работы равен нулю (М₁=0) и сильно отличается от кода N_o на регистре 10. При этом с сумматора 14 на счетчик 18 переписывается разностный код D₁ M₁ N_o, значение которого случайно и в общем случае близко к максимальному значению, равному емкости D_сч счетчика 18.

Вторым тактовым импульсов (в момент времени t₁) регистр 8 переводится в буферное состояние на время Θ которое выбирается достаточным для автоподстройки частоты в кольце фазовой АПЧ (диаграмма на фиг.2,е). В течение времени Θ кольцо фазовой АПЧ замкнуто и синхронизирует частоту автогенератора 1 по высокостабильной опорной частоте f_оп, поступающей от опорного генератора 1. Управляющее напряжение подстройки автогенератора 1, вырабатываемое фазовым детектором 3, через ФНЧ 5 поступает на АЦП 7, где преобразуется в цифровой код. Этот код через регистр 8, находящийся в буферном режиме, поступает на ЦАП 9, где преобразуется в управляющее напряжение, воздействующее на элемент перестройки (вариант) автогенератора 1. Под действием этого напряжения автогенератор 1 устанавливает свою выходную частоту равной f_вых. n ^. f_on, где n коэффициент деления частоты делителя 2. После окончания интервала времени Θ регистр 8 возвращается в режим хранения информации, размыкая кольцо АПЧ на время Ψ Следующим после окончания интервала времени тактовым импульсом (в момент времени t₂, показанный на диаграмме фиг.2,ж) в регистре 8 фиксируется код N₁ управляющего напряжения на элементе перестройки автогенератора 1, снимаемый с выхода АЦП 7. Этот код, соответствующий напряжению на элементе перестройки автогенератора 1 в момент времени, когда автогенератор 1 точно настроен на требуемую частоту, запоминается и сохраняется в регистре 8.

Следующим тактовым импульсом (см. фиг.2,з), RS-триггер 20 переводится в единичное состояние и ключ 12 размыкается, прерывая электропитание делителя 2 частоты и ФД 3. Этим заканчивается импульс длительностью Т и начинается пауза электропитания 1 (см. фиг.2,б). Подача импульсов с генератора 15 на счетный вход счетчика 19 прекращается и начинается подача импульсов на счетный вход счетчика 18 (см. диаграмму на фиг.2,и), которые дозаполняют счетчик от значения D_о до максимально возможного значения, равного емкости счетчика D_сч, в результате чего получается код nD_сч D_o. После поступления n₁ K_cч D₁ тактовых импульсов счетчик 18 заполняется и опрокидывает RS-триггер 20, в результате чего на управляющий вход ключа 12 поступает напряжение, замыкающее ключ. Пауза электропитания, длительность которой равна Θ₁ n₁ ^. τ заканчивается и вновь включается электропитание делителя 2 и ФД 3. На этом заканчивается первый цикл работы устройства и начинается второй.

Во время паузы Θ₁ электропитания, когда частота f_вых высокочастотного автогенератора 1 поддерживалась напряжением, снимаемым с ЦАП 9, под действием различных дестабилизирующих факторов (температурных воздействий, разряда емкостей или нестабильности напряжения электропитания) значение частоты f_вых. ВЧ автогенератора 1 могло медленно изменяться. Поэтому в начале второго цикла работы устройства сразу после замыкания ключа 12 в регистр 10 записывается код N напряжения, снимаемого с фазового детектора 3 в начале автоподстройки частоты. Этот код учитывает величины дрейфа частоты в течение первой паузы электропитания. Далее устройство работает так же, как во время первого цикла. При этом разность кода в регистре 8 и кода регистра 10 определяет длительность паузы электропитания на втором цикле работы устройства: Θ ₂ [D_cч (N₁ M₂)] Поскольку длительность Θ ₁ первой паузы электропитания близка к минимальной и дрейф частоты ВЧ автогенератора 1 небольшой (различие кодов N₁ и M₂ невелико), пауза Θ значительно увеличивается (Θ ₂ > > Θ ₁).

В дальнейшем длительности пауз электропитания Θ _i [D_c.ч (N_i-1 M_i)] ^. τ, где i порядковый номер паузы, автоматически регулируются в зависимости от того, каков дрейф частоты ВЧ автогенератора 1 был во время предшествующей паузы электропитания. Если отклонение частоты было небольшим, разность кодов N_i-1 M_i оказывается малой, а пауза Θ _i большой. Если отклонение частоты увеличивается, пауза электропитания наоборот уменьшается.

За счет автоматической регулировки обеспечивается оптимизация длительности пауз электропитания и увеличение их в среднем по сравнению с известным устройством, в котором пауза не регулируется и принимается достаточно малой, чтобы отклонения частоты не превышали допустимой величины при всех дестабилизирующих факторах.

Таким образом, достигаемый технический результат состоит в том, что длительность интервала времени, в течение которого питание делителя 2 частоты и ФД 3 прервано, т.е. в паузе между импульсами электропитания, регулируется в зависимости от величины отклонения (дрейфа) частоты ВЧ автогенератора 1, которое появилось во время предыдущей паузы электропитания. Если отклонение частоты было небольшим, то следующая пауза увеличивается и, наоборот, при увеличении отклонения частоты ВЧ автогенератора 1 за время очередной паузы последующая пауза уменьшается. За счет такой регулировки увеличивается отношение средней длительности пауз к длительности импульсов электропитания, т.е. уменьшается в среднем энергопотребление устройства.

Формула изобретения

1. Генератор с автоматической подстройкой частоты, содержащий соединенные в кольцо высокочастотный автогенератор электрических колебаний, делитель частоты, фазовый детектор, к другому входу которого подключен выход опорного генератора, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, первый регистр с параллельной записью и цифроаналоговый преобразователь, синхронизатор, источник питания и ключ, вход которого подключен к выходу источника питания, при этом выход ключа соединен с входами питания делителя частоты и фазового детектора, вход записи данных первого регистра с параллельной записью и управляющий вход ключа подключены соответственно к первому управляющему выходу и к выходу управления питанием синхронизатора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные второй регистр с параллельной записью и логический сумматор, другой вход которого соединен с выходом первого регистра с параллельной записью, при этом выход логического сумматора соединен с входом синхронизатора, второй управляющий выход которого подключен к входу записи данных второго регистра с параллельной записью.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что синхронизатор содержит последовательно соединенные генератор периодических импульсов, первый логический элемент И, первый счетчик импульсов, позиционный дешифратор и RS-триггер, второй логический элемент И, а также второй счетчик импульсов, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, при этом первый вход второго логического элемента И подключен к выходу генератора, периодических импульсов, вторые входы второго и первого логических элементов И подсоединены соответственно к прямому и инверсному выходам RS-триггера, выход второго логического элемента И соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, вход записи данных которого подключен к второму выходу позиционного дешифратора, третий и четвертый выходы которого являются соответственно вторым и первым управляющим выходами синхронизатора, а инверсный выход RS-триггера - выходом управления питанием синхронизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2