Цифровой синтезатор частот

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве быстро переключаемого по частоте гетеродина приемника и в других устройствах, где требуется быстрая перестройка по частоте при чистом спектре выходного сигнала. Достигаемый технический результат - получение высокого быстродействия и стабильности работы при сохранении высокой спектральной чистоты выходного сигнала. Цифровой синтезатор частот содержит управляемый генератор, два делителя с переменным коэффициентом деления, два фильтра нижних частот, два делителя с фиксированным коэффициентом деления, опорный генератор, два частотно-фазовых детектора, инвертирующий сумматор, буферный усилитель, микроконтроллер, инвертор. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве быстро переключаемого по частоте гетеродина приемника и в других устройствах, где требуется быстрая перестройка по частоте при чистом спектре выходного сигнала.

Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ), построенный по однокольцевой схеме импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи, в котором для получения высокого быстродействия при переключении выходных частот синтезатора применяется дробный ДПКД (ДДПКД) вместо обычного целочисленного ДПКД. Это позволяет использовать частоту сравнения F_CP на опорном входе частотно-фазового детектора (ЧФД) во много раз больше заданного шага F_Ш сетки частот синтезатора (см. книгу Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. - М.: Радио и связь, 1981, стр.166, рис.7.4, а также а.с. СССР №470901, Н03В 21/02, 1975 г.). Из-за высокой частоты сравнения F_СР происходит автоподстройка управляемого генератора гораздо чаще, чем в ЦСЧ с целочисленным ДПКД. В результате повышается быстродействие при переключении с одной частоты на другую.

Недостаток известного ЦСЧ в том, что в синтезаторе с ДДПКД имеется так называемая значительная «помеха дробности» с низкой частотой (примерно равной заданному шагу сетки частот F_Ш) даже при современных микросхемах ЦСЧ с ΣΔ компенсацией этих помех (см. В.Майская "FRACTIONAL N СИНТЕЗАТОРЫ", журнал ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес №5, 2002 г., стр.10-16). Для подавления этих «помех дробности» до требуемых значений нужен почти такой же узкополосный петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ), как и при использовании обычного целочисленного ДПКД. Это, в свою очередь, значительно уменьшает ширину полосы пропускания кольца ИФАПЧ и быстродействие при переключении частот.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является цифровой синтезатор частот (см. авторское свидетельство СССР №1510080 от 23.09.1989 г.), который принят за прототип.

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

1 - управляемый генератор (УГ);

2 и 13 - первый и второй делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

3 - блок установки выходной частоты;

4 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);

5 и 9 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);

6 - опорный генератор (ОГ);

7 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);

8 - фазовый детектор (ФД);

10 - RS-триггер;

11 - элемент задержки;

12 - элемент «И»;

14 - инвертирующий сумматор (СУМ);

15 - инвертор.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные управляемый генератор (УГ) 1, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 2, частотно-фазовый детектор (ЧФД) 4, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, выход которого соединен с первым входом инвертирующего сумматора СУМ 14, выход которого через инвертор 15 соединен с управляющим входом управляемого генератора УГ 1, второй выход которого является выходом устройства; последовательно соединенные опорный генератор (ОГ) 6 и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 7, второй (основной) выход которого соединен со вторым входом ЧФД 4; последовательно соединенные фазовый детектор (ФД) 8 и второй фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, выход которого соединен со вторым входом СУМ 14, а также RS-триггер 10, первый вход (S-вход) которого соединен с первым (промежуточным) выходом ДФКД 7, второй вход (R-вход) RS-триггера 10 соединен с выходом элемента задержки 11, а выход RS-триггера 10 соединен со вторым входом элемента «И» 12, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 8, при этом блок установки выходной частоты 3, выход которого соединен со вторыми (управляющими) входами первого ДПКД 2 и второго ДПКД 13, а первый (промежуточный) выход ДФКД 7, кроме того, соединен со вторым входом ФД 8 и с первым входом второго ДПКД 13, третий вход которого соединен с первым выходом УГ 1, а выход второго ДПКД 13 соединен с первыми входами элемента задержки 11 и элемента «И» 12.

Инвертирующий сумматор 14 (см. фиг.2) содержит операционный усилитель 16 и первый 17, второй 18 и третий 19 резисторы.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В этом ЦСЧ параллельно основному (узкополосному) кольцу автоподстройки, состоящему из УГ 1, первого ДПКД 2, ЧФД 4, первого ФНЧ 5, инвертирующего сумматора 14 и инвертора 15, выход которого соединен с управляющим входом УГ 1, включено дополнительное (широкополосное) кольцо автоподстройки из того же УГ 1, второго ДПКД 13, элемента И 12, ФД 8, второго ФНЧ 9, выход которого подключен ко второму входу инвертирующего сумматора 14. Дополнительное кольцо работает на частоте сравнения F_СР в n раз больше заданного шага сетки частот F_Ш, а в основном кольце частота сравнения F_СР не более заданного шага сетки частот F_Ш. Повышение быстродействия достигается за счет того, что подстройка управляющего напряжения УГ 1 осуществляется в n раз чаще, чем если бы работало только одно основное кольцо.

В режиме синхронизма импульсы с выхода первого ДПКД 2 практически почти совпадают с опорными импульсами, поступающими на второй вход ЧФД 4, т.е. основное кольцо автоподстройки представляет собой систему ИФАПЧ с астатизмом второго порядка. В дополнительном кольце опорные импульсы поступают на вход ФД 8 типа «выборка-запоминание» и запускают его генератор пилообразного напряжения. Одновременно эти же импульсы поступают на вход сброса второго ДПКД 13 и на S-вход RS-триггера 10, устанавливая его в состояние лог.1 по выходу. С выхода RS-триггера 10 уровень лог. 1 поступает на второй вход элемента И 12 и разрешает прохождение сигналов по первому его входу с выхода второго ДПКД 13. После сброса импульсом с выхода ДФКД 7 второй ДПКД 13 начинает новый счет, т.е. оба делителя начинают счет одновременно. Импульс с выхода второго ДПКД 13 через элемент И 12 поступает на другой вход ФД 8, а через элемент 11 задержки - на R-вход RS-триггера 10, переводя его в состояние «Лог. 0». Этот сигнал с выхода RS-триггера 10 поступает на второй вход элемента И 12 и закрывает его. После этого второй ДПКД 13 начинает новый счет импульсов, но не успевает его завершить, так как импульс с выхода ДФКД 7 сбросит его и оба делителя начнут счет сначала. А RS-триггер 10 этим же импульсом установится в исходное состояние, и процесс повторится. Если до прихода следующего импульса с выхода ДФКД 7 (до окончания развертки пилообразного напряжения в ФД 8) появится второй импульс с выхода второго ДПКД 13, то он не пройдет через элемент И 12, так как на втором входе элемента И 12 присутствует запрещающий сигнал «Лог. 0» с выхода RS-триггера 10.

Таким образом, в режиме синхронизма импульс выборки должен приходить всегда в одну и ту же точку пилообразного напряжения, т.е. на выходе ФД 8 или входе второго ФНЧ 9 формируется определенная величина управляющего напряжения V₂, которое поступает на второй вход инвертирующего сумматора 14. А на выходе ЧФД 4 в результате сравнения двух потоков импульсов формируется основное управляющее напряжение V₁ которое через первый ФНЧ 5 поступает на первый вход инвертирующего сумматора 14. При этом суммарное управляющее напряжение на управляющем входе УГ 1 равно взвешенной сумме управляющих напряжений с выходов первого ФНЧ 5 и второго ФНЧ 9

V_Σ=V₁+V₂/n

Весовой коэффициент n выбирается из следующих соображений. Коэффициент усиления многовходового усилителя-сумматора (построенного на основе операционного усилителя 16 с заземленным неинвертирующим входом, фиг.2) определяется по каждому j входу как

K_j=R_oc/R_j,

где R_oc - сопротивление обратной связи операционного усилителя,

R_j - сопротивление соответствующего резистора.

С помощью резисторов, включенных во входную цепь усилителя-сумматора, можно реализовать весовые коэффициенты для каждого из слагаемых, если принять, что первый резистор 17 равен третьему резистору 19 (в обратной связи), а второй резистор 18 равен R₂=nR₁,

где R₂ - сопротивление второго резистора 18,

R₁ - сопротивление первого резистора 17.

Каждому значению управляющего напряжения V_Σ на управляющем входе УГ 1 соответствует определенная частота на его выходе. Для изменения частоты выходного сигнала ЦСЧ на заданную величину Δf (шаг) нужно на соответствующую величину изменить управляющее напряжение ΔV₁ по первому входу сумматора. Если выбрать частоту опорных импульсов в дополнительном кольце в n раз больше, чем в основном, определяемом заданным шагом сетки частот, то при одновременном переключении коэффициентов деления на единицу первого ДПКД 2 и второго ДПКД 13 от блока 3 установки выходной частоты напряжение на выходе ЧФД 4 до прихода импульса с выхода первого ДПКД 2 еще не изменится, а в дополнительном кольце автоподстройки пройдет n периодов регулирования.

Причем после первого же периода регулирования в основном кольце управляющее напряжение на выходе ФД 8 изменится на величину ΔV₂=nΔV₁, где ΔV₁ - изменение управляющего напряжения, которое было бы на выходе ЧФД 4, если бы работало только одно основное кольцо. Тогда после первого же периода регулирования в дополнительном кольце суммарное управляющее напряжение УГ 1 станет равно

V_Σ=V₁+V₂/n+ΔV₂/n=V₁+V₂/n+nΔV₁/n=V₁+V₂/n+ΔV₁, т.е. изменится на величину ΔV₁, как и требовалось для заданного приращения частоты Δf (шаг сетки частот).

Таким образом, в ЦСЧ-прототипе должен быть выигрыш по быстродействию из-за того, что подстройка управляющего напряжения осуществляется в n раз чаще, чем если бы работало только одно основное кольцо автоподстройки.

Недостаток устройства-прототипа состоит в следующем. В этом ЦСЧ работают одновременно основное (медленное) кольцо с цифровым ЧФД и дополнительное (быстродействующее), в котором F_СР=nF_Ш. Первое (основное) кольцо в режиме синхронизма работает так, что на входах ЧФД 4 потоки сравниваемых импульсов с ДФКД 7 и ДПКД 2 равны не только по частоте, но и практически по фазе (синфазная система). Второе кольцо на основе ФД 8 типа «выборка-запоминание» работает только на основе разности фаз импульсов с выходов ДФКД 7 и ДПКД 13. Причем эта разность фаз на разных частотах разная, т.е. в переходном режиме на выходе ФД 8 получается разный набег фаз, и это может выбивать первое кольцо с ЧФД 4 из синхронизма. В дополнительном кольце подстройка частоты происходит гораздо быстрее, чем в основном. При этом основное кольцо будет мешать подстройке частоты в переходном режиме, т.к. от этих двух колец подстройка УГ 1 происходит в разные моменты времени и возможна в противоположных направлениях - вхождение в синхронизм может затягиваться.

Второй недостаток состоит в том, что в ЦСЧ-прототипе быстродействие ограничивается первым кольцом, которое работает на низкой частоте сравнения F_СР=F_Ш. В переходном режиме первое кольцо может задерживать вхождение ЦСЧ в синхронизм.

Третий недостаток в том, что использование одного ДФКД с основным и промежуточным выходом ограничивает возможность оптимального выбора частот сравнения в кольцах и управления быстродействием, когда нужно в переходном режиме устраивать синхронный сброс счетчиков. Кроме того, в выпускаемых в настоящее время микросхемах ЦСЧ выделить в ДФКД промежуточный выход не представляется возможным.

Таким образом, быстродействие и стабильность работы в этом ЦСЧ-прототипе недостаточные.

Для устранения указанных недостатков в цифровой синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные управляемый генератор, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, выход которого соединен с первым входом инвертирующего сумматора, выход которого через инвертор соединен с управляющим входом управляемого генератора, второй выход которого является выходом устройства, а также второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора, последовательно соединенные опорный генератор и первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора; второй фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом инвертирующего сумматора, в него введены последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления и второй частотно-фазовый детектор, выход которого соединен со входом второго фильтра нижних частот, последовательно соединенные буферный усилитель и микроконтроллер, выходная шина которого соединена с управляющими входами первого делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, первого частотно-фазового детектора и второго частотно-фазового детектора, первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления и второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, причем вход буферного усилителя соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а вход второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления соединен с выходом опорного генератора.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.3, где введены следующие обозначения:

1 - управляемый генератор (УГ);

2 и 13 - первый и второй делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

4 и 21 - первый и второй частотно-фазовые детекторы (ЧФД);

5 и 9 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);

6 - опорный генератор (ОГ);

7 и 20 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);

14 - инвертирующий сумматор (СУМ);

15 - инвертор (ИНВ);

22 - буферный усилитель (БУ);

23 - микроконтроллер (МК).

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные управляемый генератор УГ 1, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД 2, первый частотно-фазовый детектор ЧФД 4 и первый фильтр нижних частот ФНЧ 5, выход которого соединен с первым входом инвертирующего сумматора СУМ 14, выход которого через инвертор 15 соединен с управляющим входом управляемого генератора УГ 1, а также второй ДПКД 13, вход которого соединен с первым выходом УГ 1, второй выход которого является выходом устройства; последовательно соединенные опорный генератор ОГ 6 и первый ДФКД 7, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД 4; второй ФНЧ 9, выход которого соединен со вторым входом инвертирующего сумматора СУМ 14; последовательно соединенные второй ДФКД 20 и второй ЧФД 21, выход которого соединен со входом второго ФНЧ 9; последовательно соединенные буферный усилитель БУ 22 и микроконтроллер 23, выходная шина которого соединена с управляющими входами первого ДФКД 7 и второго ДФКД 20, первого ЧФД 4 и второго ЧФД 21, первого ДПКД 2 и второго ДПКД 13, выход которого соединен со вторым входом второго ЧФД 21. При этом вход БУ 22 соединен также с выходом первого ФНЧ 5 и выход ОГ 6 соединен со входом второго ДФКД 20.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В этом ЦСЧ работают неодновременно два быстродействующих кольца ИФАПЧ с общим УГ 1. Первое кольцо состоит из УГ 1, первого ДПКД 2, первого ЧФД 4, первого ФНЧ 5, выход которого соединен с первым входом инвертирующего СУМ 14, а выход СУМ 14 через ИНВ 15 соединен с управляющим входом УГ 1. Второе кольцо состоит из того же УГ 1, второго ДПКД 13, второго ЧФД 21, второго ФНЧ 9, выход которого через второй вход СУМ 14 и ИНВ 15 соединен также с управляющим входом УГ 1. В обоих кольцах цифровые ЧФД работают на опорных частотах сравнения F_СР, во много раз превышающих заданный шаг F_ш сетки частот. В первом кольце частота сравнения F_СР1 формируется от первого ДФКД 7, на вход которого поступает опорный сигнал с ОГ 6. Во втором кольце частота сравнения F_СР2 формируется от второго ДФКД 20, вход которого также соединен с выходом ОГ 6. Выключение каждого кольца происходит по сигналу от микроконтроллера МК 23 путем перевода соответствующего ЧФД в третье состояние (т.е. кольцо разрывается), а включение каждого кольца происходит также по сигналу от МК 23 путем перевода соответствующего ЧФД из третьего состояния в рабочий режим. Третье состояние ЧФД характеризуется тем, что его выход внутри микросхемы отключается от всех цепей и имеет очень высокое выходное сопротивление (см., например, описание микросхем синтезаторов ADF4252, ADF4001, ADF4153 фирмы Analog Devices, LMX2364, LMX2470 фирмы National Semiconductor). Поэтому ФНЧ (обычно активный ФНЧ на операционном усилителе), соединенный с таким выходом ЧФД, сохраняет то управляющее напряжение, которое было перед отключением ЧФД.

В начале переходного режима после достижения синхронизма в первом кольце по сигналу управления от МК 23 первый ЧФД 4 переключается в третье состояние и на выходе первого ФНЧ 5 сохраняется постоянное управляющее напряжение V_упр1 ("подставка"), которое поступает на первый вход СУМ 14. Одновременно по сигналу от МК 23 включается второе кольцо и управляющее напряжение V_упр2 с выхода второго ФНЧ 9 поступает на второй вход СУМ 14. В результате на выходе СУМ 14 формируется суммарное управляющее напряжение V_упрΣ, равное взвешенной сумме управляющих напряжений с первого ФНЧ 5 и второго ФНЧ 9

V_упрΣ=V_упр1+V_упр2/n,

где весовой коэффициент n=F_СР2/F_Ш.

Весовой коэффициент n СУМ 14 выбирается с помощью входных резисторов операционного усилителя-сумматора (см. фиг.2) так, как описано выше.

Известно, что при увеличении частоты сравнения в n раз, шаг перестройки в ЦСЧ также увеличивается в n раз из-за того, что дискретное приращение управляющего напряжения при изменении коэффициента деления ДПКД на единицу будет тоже в n раз больше. В предложенном ЦСЧ инвертирующий сумматор СУМ 14 осуществляет взвешенное суммирование входных управляющих напряжений так, что на выходе его уровень управляющего сигнала от первого кольца проходит без изменения, а от второго кольца - уменьшается в n раз. В результате после СУМ 14 приращение управляющего напряжения на входе УГ 1 получается соответствующим заданному шагу, т.е. подстройка происходит с заданным дискретом. А выигрыш состоит в том, что эта подстройка происходит в n раз чаще, что и приводит к повышению быстродействия.

От второго кольца частота УГ 1 переключается с заданным шагом в пределах некоторого поддиапазона, в котором сохраняется постоянное управляющее напряжение V_упр1 с первого кольца ("подставка").

В результате весь диапазон управляющего напряжения для УГ 1 разбивается на несколько поддиапазонов, внутри которых с помощью второго кольца происходит перестройка частоты УГ 1 с заданным шагом.

Величина каждого поддиапазона должна быть такой, чтобы при перестройке второго кольца управляющее напряжение на выходе второго ФНЧ 9 не превышало максимальное напряжение V_{упр2мах} (например, V_{упр2мах}≤10-12 В). Выбранные значения поддиапазонов записывают в память МК 23. А с выхода первого ФНЧ 5 через БУ 22 на вход МК 23 непрерывно поступает значение V_упр1 и сравнивается с записанным в памяти микроконтроллера МК 23. Если при каких-то неблагоприятных условиях V_упр1 сместится от установленных значений, то по сигналу обратной связи с выхода первого ФНЧ 5 через БУ 22 на вход МК 23 поступит новое значение V_упр1 и произойдет его сравнение с записанным в памяти МК 23. В результате включится первое кольцо и снова подстроится.

В каждом кольце ЦСЧ при переключении частот по сигналам от МК 23 происходит синхронный сброс и пуск обоих счетчиков кольца (ДФКД и ДПКД), когда оба счетчика начинают счет одновременно. Это позволяет значительно увеличить быстродействие по сравнению с тем, если бы оба счетчика срабатывали случайно в разное время, при этом получалось бы затягивание времени вхождения в синхронизм.

Управляющая шина от МК 23 представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы; 2) информационный сигнал; 3) импульс разрешения записи передаваемой информации в один из блоков: ДПКД 2, ДПКД 13, ЧФД 4, ЧФД 21, ДФКД 7, ДФКД 20.

Таким образом, в предложенном ЦСЧ за счет введения новых блоков и соответствующих связей между всеми блоками синтезатора, а также за счет применения высоких частот сравнения в обоих кольцах ЦСЧ без использования дробных ДПКД при заданном шаге сетки частот значительно повышается быстродействие и стабильность работы при высокой чистоте спектра выходного сигнала.

Доказательством возможности осуществления предлагаемого ЦСЧ является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Причем в одной микросхеме могут быть один или два независимых ЦСЧ (т.е. одно- или двухканальный) с целочисленным ДПКД (Integer-N) или с дробным (Fractional-N). Например, микросхема ADF 4252 фирмы Analog Devices представляет собой двойной синтезатор с двумя раздельными контурами регулирования: один с дробным ДПКД, другой - с целочисленным. В предложенном ЦСЧ может использоваться в первом кольце любой ДПКД - и дробный, и целочисленный. А во втором кольце - только целочисленный, чтобы получить высокую спектральную чистоту выходного сигнала.

В качестве буферного усилителя используется операционный усилитель с высоким входным сопротивлением и коэффициентом передачи, близким к единице, на микросхеме AD822AR фирмы Analog Devices.

В качестве микроконтроллера МК 23 может использоваться микросхема C8051F220 фирмы Silicon Laboratories (CYGNAL).

Таким образом, в предложенном ЦСЧ имеется возможность получить высокое быстродействие и стабильность работы при высокой частоте сравнения и заданном шаге сетки частот без применения дробного ДПКД с соответствующими "помехами дробности".

Цифровой синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные управляемый генератор, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, выход которого соединен с первым входом инвертирующего сумматора, выход которого через инвертор соединен с управляющим входом управляемого генератора, второй выход которого является выходом устройства, а также второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора, последовательно соединенные опорный генератор и первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора; второй фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом инвертирующего сумматора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления и второй частотно-фазовый детектор, выход которого соединен со входом второго фильтра нижних частот, последовательно соединенные буферный усилитель и микроконтроллер, выходная шина которого соединена с управляющими входами первого делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, первого частотно-фазового детектора и второго частотно-фазового детектора, первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления и второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, причем вход буферного усилителя соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а вход второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления соединен с выходом опорного генератора.