Синтезатор частот

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот. Достигаемый технический результат - снижение уровня шумов в выходном сигнале. Устройство содержит источник сигнала эталонной частоты, два частотно-фазовых детектора, блок управления, два делителя с переменным коэффициентом деления, два фильтра нижних частот, генератор, управляемый напряжением, буферный каскад, запоминающий блок, переключатель с двух направлений, двухрежимный автогенератор, ключ, делитель напряжения и блок временных интервалов. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, предназначено для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот.

Для приема и передачи сигналов используются генераторы синусоидальных колебаний, основные требования к которым состоят в стабильности частоты и в чистоте спектра выходного сигнала, в подавлении в его составе паразитных колебаний различного типа.

Синтезаторы частот, основанные на фазовой автоподстройке частоты (ФАПЧ), широко известны в технической литературе [1], [2], [3], [4] и др. Синтезаторы позволяют получить синусоидальные колебания с заданным шагом по частоте, при этом стабильность частоты определяется прецизионным кварцевым генератором. Однако синтезаторы частот, основанные на фазовой автоподстройке частоты, имеют в составе выходного напряжения значительную величину побочных составляющих и шумов различного типа.

Функциональные схемы синтезаторов двух типов приведены на рис.5.15 стр.142 в книге [1].

В первом синтезаторе на первый вход частотно-фазового детектора (ЧФД) подключается опорный генератор (более точно после делителя на 4), а на второй вход ЧФД - выходное напряжение с генератора управляемого напряжением (ГУН). Выход ЧФД через фильтр нижних частот (ФНЧ) управляет частотой ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте опорного генератора, умноженной на коэффициент деления делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Второй синтезатор отличается только тем, что опорное колебание в нем формируется из гармонических колебаний опорного генератора, которое подается на первый вход ЧФД, а на второй вход ЧФД подается гармоническое напряжение с ГУН. Выход ЧФД через ФНЧ управляет частотой ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте гармонического колебания, сформированного из колебаний опорного генератора. Оба указанных синтезатора частот представляют собой астатическую систему авторегулирования. Известно, что в кольце такой системы присутствует интегратор. Реализуется интегратор, как ФНЧ с коэффициентом передачи (1+f/f_СР), где f_СР - частота среза ФНЧ. ФНЧ выделяет постоянную составляющую ошибки и фильтрует (подавляет) выходное напряжение с частотами опорного генератора, с частотой ГУН, прошедшей деление в ДПКД, а также различные паразитные наводки и шумы. Принципиально нельзя повысить фильтрацию, применяя ФНЧ более высокого порядка, например с коэффициентом передачи (1+f/f_СР)². По этой причине фильтрация помех и различных наводок, возникающих ДПКД и ЧФД, происходит по закону (1+f/f_СР) и, следовательно, ограничена.

В книге [4] их уровень определен в районе 100 дБ в полосе частот 10 Гц или 75 дБ в полосе частот 3 кГц. Там же, на стр.87 приведены зависимости "шумов", вызванных цепью фазовой автоподстройки рис.2.37, из которого видно, что при отстройке на 10 кГц от синтезированной частоты ослабление "шумов" составляет (90-110) дБ в полосе 1 Гц, а в полосе 3 кГц - (55-75) дБ. В [3] только уровень подавления помех дробности оценен в (80-120) дБ. Аналогичные цифры приводятся во многих других источниках.

Такое подавление помех и наводок в выходном напряжении синтезатора для современных условий загрузки радиочастотного диапазона является недостаточным.

В литературе [4] показано, что шумы автогенераторов, не охваченных кольцом ФАПЧ (ГУН частный случай автогенератора), значительно меньше. Согласно данным стр.85 они составляют (155-161) дБ. В литературе [6] и [7] проанализирована природа шумов автогенераторов и их зависимость от различных факторов, ослабление шума в составе выходного напряжения автогенератора. Как видно из этих данных, полученное подавление "шумов" в автогенераторах на (20-30) дБ больше, чем в синтезаторах. Однако автогенераторы не имеют требуемой стабильности выходной частоты, сравнимой со стабильностью синтезаторов. Исключение составляют кварцевые автогенераторы, но они практически не перестраиваются по частоте. Таким образом, автогенераторы не являются альтернативой синтезаторам частот.

Следовательно, известные синтезаторы частот работают неэффективно в части подавления "шумов" в выходном напряжении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству можно считать синтезатор частот с цифровой петлей ФАПЧ, приведенный на рис.1.15 стр.33 в [2], принятый за прототип, с небольшими уточнениями: «источник сигнала эталонной частоты» обозначен как блок, а не стрелочка, уточнено название «фазовый детектор» на «частотно-фазовый детектор», а «схема управления» - на «блок управления».

Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

1 - источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ);

2 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);

3 - блок управления (БУ);

4 - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

5 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ) 1, частотно-фазовый детектор (ЧФД) 2 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, выход которого соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением (ГУН) 6, второй выход которого является выходом устройства, а первый выход ГУН 6 через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 4 соединен со вторым входом ЧФД 2, управляющий вход ДПКД 4 соединен с выходом блока управления (БУ) 3, вход которого является управляющим входом устройства.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Выходное напряжение ИСЭЧ 1 подается на первый вход ЧФД 2, на второй вход которого через ДПКД 4 подается выходное напряжение ГУН 6. Будем понимать под ДПКД не только цифровой блок деления частоты, а любой блок, обеспечивающий приведение, преобразование частоты ГУН к частоте сравнения, к эталонной частоте. Сигнал ошибки с выхода ЧФД 2 через ФНЧ 5 подается на управляющий вход ГУН 6, частота которого меняется до тех пор, пока, поделенная в заданное число раз в ДПКД 4, она не будет равной частоте ИСЭЧ 1. В этом случае, выходное напряжение на выходе ЧФД 2 перестанет меняться, а выходная частота ГУН 6 будет оставаться равной частоте ИСЭЧ 1, умноженной на коэффициент деления ДПКД 4. Таким образом, работает кольцо ФАПЧ. Причем с выхода БУ 3 на управляющий вход ДПКД 4 подается сигнал, устанавливающий необходимый коэффициент деления, т.е. выходную частоту устройства. Следовательно, на выходе устройства - втором выходе ГУН 6 - будет поддерживаться колебание с заданной частотой и этот второй выход является выходом устройства, т.е. к нему подключается внешняя нагрузка.

Учитывая вышесказанное, недостатком устройства-прототипа является слабая фильтрация "шума" в составе выходного напряжения.

Для устранения указанного недостатка в синтезатор частот, содержащий источник сигнала эталонной частоты, блок управления, вход которого является управляющим входом устройства, последовательно соединенные первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением и первый делитель с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора, а управляющий вход первого делителя с переменным коэффициентом деления соединен с выходом блока управления, согласно изобретению введены буферный каскад, блок временных интервалов, последовательно соединенные делитель напряжения, ключ, двухрежимный автогенератор, второй делитель с переменным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, запоминающий блок и переключатель с двух направлений, при этом выход источника сигнала эталонной частоты соединен со входом буферного каскада, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго частотно-фазовых детекторов, второй выход генератора, управляемого напряжением, соединен со входом делителя напряжения, кроме того, выход второго фильтра нижних частот соединен с первым входом переключателя с двух направлений, выход которого соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора, второй выход которого является выходом устройства, выход блока управления соединен с управляющим входом второго делителя с переменным коэффициентом деления, а через блок временных интервалов - с управляющими входами переключателя с двух направлений и ключа.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:

1 - источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ);

2 и 9 - первый и второй частотно-фазовые детекторы (ЧФД);

3 - блок управления (БУ);

4 и 10 - первый и второй делители с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

5 и 8 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);

6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);

7 - буферный каскад (БК);

11 - запоминающий блок (ЗБ);

12 - переключатель с двух направлений (ПД);

13 - двухрежимный автогенератор (ДА);

14 - ключ;

15 - делитель напряжения (ДН);

16 - блок временных интервалов (БВИ).

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ) 1 и буферный каскад (БК) 7, первый выход которого соединен с первым входом первого частотно-фазового детектора (ЧФД) 2, выход которого через первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 5 соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением (ГУН) 6, первый выход которого через первый делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 4 соединен со вторым входом первого ЧФД 2.

Второй выход БК 7 соединен с первым входом второго ЧФД 9, выход которого через второй ФНЧ 8 соединен со входом запоминающего блока (ЗБ) 11 и первым входом переключателя с двух направлений (ПД) 12, второй вход которого соединен с выходом ЗБ 11, а выход ПД 12 соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора (ДА) 13, первый выход которого через второй ДПКД 10 соединен со вторым входом второго ЧФД 9.

Второй выход ГУН 6 через последовательно соединенные делитель напряжения (ДН) 15 и ключ 14 соединен с высокочастотным (ВЧ) входом ДА 13, второй выход которого является выходом устройства.

Управляющим входом устройства является вход блока управления (БУ) 3, выход которого соединен с управляющими входами первого ДПКД 4, второго ДПКД 10 и входом блока временных интервалов (БВИ) 16, выход которого соединен с управляющими входами ПД 12 и ключа 14.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Управляющая команда на включение поступает на вход БУ 3, выходной сигнал которого является командой на установление задаваемого (одинакового, например равного N) коэффициента деления для первого 4 и второго 10 ДПКД. Сигнал с первого выхода ГУН 6 через первый ДПКД 4 и сигнал с первого выхода ДА 13 через второй ДПКД 10 подаются, соответственно, на вторые входы первого ЧФД 2 и второго ЧФД 9, на первые входы которых подается сигнал от ИСЭЧ 1 после разделения в БК 7, с первого и второго его выходов соответственно. БК 7 применяется для исключения взаимного влияния блоков 1, 2 и 9.

Кроме того, управляющая команда на включение через БУ 3 подается на БВИ 16, который формирует сигнал длительностью Т_З для управления ПД 12 и ключом 14. БВИ 16 может выполнен, например, на микросхеме ADM696, которая по отрицательному фронту вырабатывает импульс с заданной длительностью. Отрицательный фронт - это окончание первого импульса в последовательности импульсов управляющей команды с БУ 3. По этой команде ПД 12 соединяет выход второго ФНЧ 8 с управляющим входом ДА 13 на время Т_З, и на это же время размыкает ключ 14.

При этом выходное напряжение с первого ЧФД 2 через первый ФНЧ 5 подается на управляющий вход ГУН 6, что через определенный отрезок времени Т_З обеспечивает получение на выходах ГУН 6 частоты, точно равной эталонной частоте, умноженной на N - коэффициент деления первого ДПКД 4. Таким образом, работает первое кольцо ФАГТЧ.

В то же время, выходное напряжение со второго ЧФД 9 через второй ФНЧ 8 и ПД 12, замкнутый по команде с БВИ 16, подается на управляющий вход ДА 13. Напряжение на управляющем входе ДА 13 через определенный отрезок времени Т_З обеспечивает получение на выходах ДА 13 частоты, точно равной эталонной частоте, умноженной на N - коэффициент деления второго ДПКД 10. Таким образом, одновременно с первой, работает второе, дополнительное кольцо ФАПЧ. В то же время, низкочастотное напряжение с выхода второго ФНЧ 8 запоминается в ЗБ 11.

Следовательно, на протяжении заданного интервала времени Т_З, необходимого для установления частоты (срабатывания кольца фазовой автоподстройки), на выходах ГУН 6 и ДА 13 формируется частота, равная эталонной, умноженной на коэффициент деления N.

По истечении отрезка времени Т_З команда с выхода БВИ 16 меняется, и ключ 14 замыкается, а ПД 12 отключает управляющий вход ДА 13 от второго ФНЧ 8 и подключает этот вход к выходу ЗБ 11. Следовательно, второе кольцо ФАПЧ перестает работать и ДА 13 переходит в режим автоколебаний по частоте, близкой к частоте ИСЭЧ 1, умноженной на N - коэффициент деления второго ДПКД 10. Однако на ВЧ вход ДА 13 через замкнутый ключ 14 и делитель напряжения ДН 15 подается напряжение со второго выхода ГУН 6, и происходит захват частоты колебаний ДА 13 колебаниями ГУН 6, который продолжает работать в режиме генерации частоты (срабатывания кольца фазовой автоподстройки), точно равной эталонной частоте, умноженной на N - коэффициент деления первого ДПКД 4. Следовательно, выходное напряжение ДА 13 будет иметь частоту, равную синтезированной в ГУН 6, который охвачен цепью ФАПЧ, а шумы - соответствующие шумам генератора ДА 13, который работает в режиме автоколебаний.

Таким образом, работа устройства происходит в два этапа. На первом этапе ГУН 6 и ДА 13 работают как обычно при ФАПЧ и генерируют на своих выходах одну и туже заданную частоту. На втором этапе ГУН 6 продолжает работать в режиме ФАПЧ, а ДА 13 работает как автогенератор в режиме захвата, причем дополнительная цепь ФАПЧ размыкается, а управляющее частотой ДА 13 напряжение запоминается и продолжает поддерживать колебания ДА 13 на частоте, почти равной вырабатываемой на первом этапе, при этом ВЧ напряжение (внешнее возбуждение по отношению к ДА 13) со второго выхода ГУН 6 через ДН 15 и замкнутый ключ 14 подается в колебательную цепь ДА 13. Следовательно, частота синтезируемого сигнала на выходах ДА 13 (причем, второй выход ДА является выходом устройства, то есть к нему подключается нагрузка) будет определяться частотой ГУН 6, охваченного кольцом ФАПЧ, а шумы будут определяться шумами самого ДА 13, которые значительно ниже, чем у синтезаторов частот с кольцом ФАПЧ, аналогичных принятому за прототип.

Описание двухрежимных автогенераторов дано в источниках [5], [6] и [8]. В частности, в [6] подробно рассмотрены принцип захвата и полоса захвата, а также приведены функциональная (рис.1) и принципиальная (рис.2) схемы двухрежимного автогенератора.

Для понимания работы предлагаемого устройства рассмотрим подробнее свойства ДА 13 в режиме захвата частоты. В учебнике [8] на стр.355 приводится соотношение (9.66), связывающее полосу захвата автогенератора с отстройкой внешнего возбуждения, добротностью контура и отношением величины амплитуды автоколебаний к амплитуде внешнего воздействия:

,

где ω_С - частота внешнего напряжения захвата;

ω₀ - частота автоколебаний генератора;

- полоса захвата;

Е - напряжение автоколебаний;

E_OC - напряжение внешнего возбуждения;

Q - добротность контура автогенератора.

Для наших целей эта формула может быть преобразована к более удобному виду:

где Ω - обобщенная расстройка, Ω_max - обобщенная полоса захвата.

;

ω₀/2Q - полоса пропускания контура автогенератора. Таким образом, для захвата по частоте автогенератора, в частости ДА 13, необходимо чтобы при заданной величине Е_OC/Е отстройка была меньше чем максимальная, Ω< Ω_max.

Обратим внимание на тот факт, что величина Ω_max показывает, во сколько раз расстройка частоты внешнего напряжения захвата и частоты автоколебаний генератора меньше, чем полоса пропускания контура автогенератора.

Другими словами из соотношения (1) следует, что напряжение внешнего возбуждения Е_OC, необходимое для захвата частоты автогенератора в полосе захвата, может быть меньше, чем напряжение автоколебаний Е во столько раз, во сколько раз отстройка по частоте меньше полосы пропускания контура автогенератора. Для того, чтобы обеспечить требуемую величину напряжения внешнего возбуждения Е_OC, ВЧ напряжение со второго выхода ГУН 6 подается на вход ДА 13 через ДН 15. При этом, длительность процесса установления (захвата) возрастает с уменьшением значения Е_OC.

В [5] и [6] более точные выражения для общего случая без большого количества приближений, вводимых автором [8], получены другим способом и проверены экспериментально. В частности показано, что внутри полосы захвата Ω≤ Ω_max в режиме захвата постоянная времени равна постоянной времени колебательного контура автогенератора, умноженной на отношение:

Таким образом, при Ω_max<<1 постоянная времени в режиме захвата увеличивается, а полоса контура автогенератора (ДА 13) для напряжения возбуждения E_OC уменьшается в раз.

Из этого следует, что "шум" в составе напряжения внешнего возбуждения будет фильтроваться контуром с полосой Q/ Ω_max. Например, при Q=60 и Ω_max=1%, полоса Q/ Ω_max=6000. Подавление "шума" от внешнего возбуждения на 10 дБ произойдет при отстройке больше чем на 1/30 полосы пропускания контура автогенератора возбуждения на 20 дБ произойдет при отстройке больше чем на 1/15 полосы пропускания контура автогенератора. При выходной частоте автогенератора 30 МГц это составит 8,3 кГц и 16,7 кГц соответственно.

Следовательно, при захвате двухрежимного автогенератора (ДА 13) внешним ВЧ сигналом от ГУН 6 (со значительно большей величиной "шума") частота на его выходах будет равна частоте ГУН 6, а "шумы" ДА 13 будут определяться собственными "шумами" ДА 13, которые значительно ниже, чем у ГУН 6, охваченного кольцом ФАПЧ, за исключением чрезвычайно узкой области частот, в которой шумы будут равны шумам ГУН 6.

Следовательно, на выходе устройства вырабатывается напряжение, частота которого определяется стабильной частотой источника эталонной частоты (ИСЭЧ), а "шум" определяется автогенератором, что обеспечивает значительное снижение "шума" в составе выходного напряжения.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет генерировать стабильное напряжение в диапазоне частот с заданным шагом по частоте с низким уровнем шумов.

Источники информации

1. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург 2001 г, стр.142.

2. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. Перевод с английского В.А.Повзнера, под ред. А.С.Галина. - М.: Связь, 1979 г.

3. Романов С.К., Марков И.А. Определение помех дробности в синтезаторах частот с системами ФАПЧ, использующих дельта-сигма модуляторы в дробных делителях частоты. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, 2006 г, №1, стр.97-102.

4. Системы фазовой синхронизации // Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н. и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна, Л.Н.Белюстиной - М.: Радио и связь, 1982 г.

5. Бокк О.Ф. Действие внешнего колебания на автогенератор на дифференциальном каскаде, стр.102-108 // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, ВНИИС, Воронеж, 2002 г, №2.

6. Бокк О.Ф. Теория воздействия на автогенератор шума и внешних колебаний. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», Воронеж, 2006 г, №1, стр.106-112.

7. Бокк О.Ф., Слипко С.В. Шумы автогенератора на дифференциальном каскаде. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, 2003 г, №2.

8. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1977 г.

Синтезатор частот, содержащий источник сигнала эталонной частоты, блок управления, вход которого является управляющим входом устройства, последовательно соединенные первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением и первый делитель с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора, а управляющий вход первого делителя с переменным коэффициентом деления соединен с выходом блока управления, отличающийся тем, что введены буферный каскад, блок временных интервалов, последовательно соединенные делитель напряжения, ключ, двухрежимный автогенератор, второй делитель с переменным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, запоминающий блок и переключатель с двух направлений, при этом выход источника сигнала эталонной частоты соединен с входом буферного каскада, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго частотно-фазовых детекторов, второй выход генератора, управляемого напряжением, соединен со входом делителя напряжения, кроме того, выход второго фильтра нижних частот соединен с первым входом переключателя с двух направлений, выход которого соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора, второй выход которого является выходом устройства, выход блока управления соединен с управляющим входом второго делителя с переменным коэффициентом деления, а через блок временных интервалов - с управляющими входами переключателя с двух направлений и ключа.