Частотный синтез на основе ФАПЧ
Обзор методов синтеза
Виталий Иванович Козлов

© Виталий Иванович Козлов, 2022

ISBN 978-5-0056-2904-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Синтезатор частоты является необходимым блоком современных телекоммуникационных и измерительных систем и в значительной мере определяет их основные характеристики. Чтобы обеспечить высокое качество связи и измерений, сам синтезатор должен удовлетворять высоким требованиям, наиболее важными из которых являются спектральная чистота генерируемого сигнала, скорость переключения частоты и частотное разрешение (шаг сетки частот). Также важны, особенно для мобильных систем, малое потребление электроэнергии, малые размеры и вес, низкая стоимость. Поэтому главной задачей для разработчиков таких систем является поиск путей для максимально возможного выполнения этих требований.

Существует множество фундаментальных публикаций, например [1÷17], в которых рассматриваются как теоретические основы частотного синтеза, так и вопросы практического построения таких систем. Не умаляя заслуг авторов этих работ и не подвергая сомнению важность изложенного ими материала, его несомненную полезность для разработчиков аппаратуры данного класса, следует, тем не менее, признать, что в этих работах отсутствует систематизированный анализ совершенствования систем частотного синтеза с течением времени. Это путь от простейшей структуры однопетлевого синтезатора с делителем частоты с целочисленным переменным коэффициентом деления (ДПКД), через трансформацию последнего в делитель частоты с переменным дробным коэффициентом деления (ДДПКД) и с компенсацией помех дробности, через усложнённые многопетлевые схемы и – снова к однопетлевым схемам, но уже на более высоком уровне: с расщеплением фаз и с использованием дельта-сигма модуляции. В данной монографии предпринята попытка восполнить этот пробел, причём основное внимание обращено к системам синтеза на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) как наиболее перспективному направлению, получившему самое широкое применение в синтезаторах телекоммуникационной и измерительной аппаратуры.

Данный материал может оказаться интересным и полезным как для разработчиков радиоаппаратуры, так и для студентов соответствующих специальностей.

Введение

Одной из наиболее важных задач при построении синтезатора частоты является одновременное обеспечение достаточно высоких характеристик как спектральной чистоты сигнала, так и его быстродействия. Для этого прибегают к сложным структурам, дорогим и со значительным потреблением электроэнергии. Но всегда существовало стремление сделать это как можно проще, например, в однопетлевой системе ФАПЧ или в прямом цифровом синтезаторе (DDS).

В данной работе рассмотрены как ранние, не очень удачные попытки в этом направлении, так и более поздние и более успешные технические решения. Рассмотрение начинается с простейшей, однопетлевой структуры с делителем частоты с целочисленным переменным коэффициентом деления [18, 19], обладающей существенными недостатками, из-за чего область её возможного применения как самостоятельного устройства весьма ограничена. Тем не менее, есть интересные идеи, как получить сравнительно неплохие результаты при использовании нескольких несложных петель ФАПЧ на основе ДПКД.

Мощный стимул к улучшению характеристик однопетлевых синтезаторов частоты был сделан Лопозером, предложившим использовать в петле ФАПЧ делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления [20], после чего последовал ряд работ с анализом возможностей такой структуры, например [21; 22]. Это позволило значительно поднять частоту сравнения в синтезаторе, сохраняя высокую разрешающую способность по частоте, расширить полосу пропускания петли, то есть повысить скорость переключения частоты. Но при этом потребовались технические решения по компенсации помех дробности, создаваемых ДДПКД. Примеры таких решений будут приведены ниже в соответствующих разделах.

Суть компенсации заключается в формировании корректирующего сигнала такой же формы и величины, как и помеха дробности в цепи управления генератора, управляемого напряжением (ГУН), но противоположной фазы. В сумме с помехой этот корректирующий сигнал дает лишь постоянную составляющую, и таким образом помеха дробности исключается, то есть компенсируется введенным сигналом. Однако порою трудно и часто просто невозможно поддерживать амплитуду и форму компенсирующего сигнала с требуемой точностью в широком диапазоне частот синтезатора, а также получить достаточно точное его аналоговое суммирование с помехой, чтобы обеспечить необходимую спектральную чистоту синтезируемого сигнала. Поэтому, чтобы достичь приемлемого малого остаточного уровня помех дробности, приходится опять-таки строить многопетлевые системы.

Другой метод компенсации помех дробности заключается в использовании дельта-сигма модуляции, и об этом будет позже, в разделе 5.

Здесь важно отметить, что упомянутые основные характеристики однопетлевого синтезатора зависят от способа фазового сравнения опорного и подстраиваемого сигналов. Требуется ли при этом приводить их частоты к равенству и если так, то каким образом это достигается, или же имеются иные способы фазового детектирования непосредственно на неравных частотах. Поэтому при рассмотрении синтезаторов на базе ФАПЧ особое внимание будет уделено именно возможным вариантам построения фазовых детекторов (ФД).

Приведенный ниже анализ различных новшеств в области частотного синтеза завершается рассмотрением новой структуры однопетлевого синтезатора, воплощение которой в интегральной микросхеме позволит достичь исключительно высоких характеристик спектральной чистоты и быстродействия.

Материал излагается в максимально доступной форме, без излишней математизации, наглядно иллюстрирован рисунками схем и диаграммами для пояснения их работы, что может способствовать улучшению его восприятия широким кругом читателей.

1. Схемы с целочисленным переменным коэффициентом деления

1.1. Простейшая однопетлевая структура

Впервые однопетлевой синтезатор частоты с ДПКД был запатентован, практически одновременно, американцами Юнгом и Вудвардом [18; 19]. Правда, схемы, приведенные в описаниях изобретений, довольно своеобразны, они изображены на элементах тогдашнего технологического уровня, не используемых теперь, но, тем не менее, идея такого технического решения вполне понятна и может быть иллюстрирована упрощённой схемой, представленной на рисунке 1. По принятой впоследствии терминологии, такая структура называется теперь как Integer-N PLL синтезатор.

Рис.1. Integer-N PLL синтезатор

Синтезатор содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), работающий в требуемом диапазоне частот сигнала. Он охвачен отрицательной обратной связью через ДПКД с управляемым коэффициентом деления N, содержит также фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). После ФНЧ может быть установлен также усилитель постоянного тока для получения необходимого размаха управляющего напряжения. На другой вход фазового детектора подаётся опорный сигнал, частота FФД которого равна требуемому шагу сетки частот. В фазовом детекторе формируется сигнал ошибки, который через фильтр нижних частот поступает в цепь управления ГУН, приводя его частоту Fc к равенству

FC=NFФД

Частота FФД, используемая для сравнения в фазовом детекторе, может быть получена путём деления в R раз частоты Fr опорного источника. Тогда выражение для частоты Fc на выходе синтезатора может быть записано в виде

FC=NFr/R.

В качестве примера положим, что требуется получить сетку частот с шагом 10 кГц в диапазоне частот Fc=700÷800 МГц при использовании опорной частоты Fr, равной Fr=10 МГц. Тогда следует выбрать коэффициент деления R, равным R=1000, чтобы частота сравнения FФД оказалась равной FФД=10 кГц. Понятно, что поставленная задача будет решена при выборе коэффициента N в диапазоне значений от 70000 до 80000.

Очевидным достоинством рассмотренной схемы является её исключительная простота. Однако имеются и весьма существенные недостатки. Помехи с выхода ФД модулируют ГУН, создавая боковые полосы дискретных помех в спектре сигнала. Для их подавления полоса пропускания ФНЧ должна быть по крайней мере на порядок меньше частоты сравнения FФД. Это существенно ограничивает быстродействие синтезатора.

Кроме того, есть и другая проблема со спектральной чистотой сигнала. Выражение для фазового шума на выходе синтезатора в пределах полосы пропускания ФАПЧ можно записать как

G=GФД+20lgN

где GФД составляет сумму шумов собственно фазового детектора и шумов опорного источника и делителей частоты на N и R, пересчитанные ко входу ФД. Соответственно шумовой спектр сигнала существенно ухудшается при желании получить мелкую сетку, увеличивая коэффициент N. Также при этом, из-за соответствующего сужения полосы пропускания ФАПЧ, слабо подавляются шумы ГУН, что даёт дополнительный вклад в деградацию спектра сигнала.

Названную проблему можно несколько смягчить, сделав коэффициент деления R так же, как и N, управляемым. Это позволяет получать сетку частот с более мелким шагом dF при частоте сравнения такого же порядка, как и в случае постоянства этих коэффициентов. Это можно показать с помощью Табл.1, в которую сведены значения R, FФД, N, dF и получаемой при этом частоты Fc.

Таблица 1

Как видно из таблицы, шаг сетки частот dF уменьшается на три порядка, но при этом диапазон возможных значений частоты Fc также сокращается до такой исключительно малой величины как всего лишь 5 кГц. Однако же не исключаются и такие уникальные случаи, в которых описанная идея может найти своё воплощение.

Вместе с тем диапазон частот Fc может быть получен и более широким, если выбирать значения коэффициента R не столь большими, как это показано в Табл.2. Там этот коэффициент уменьшен на порядок, благодаря чему диапазон частот Fc расширен также на порядок, до 50 кГц. Но при этом шаг сетки стал значительно крупнее по сравнению с предыдущим случаем, максимальное его значение стало равным 990 Гц, и всё же он оказался на порядок меньшим, чем в варианте с постоянным значением FФД=10 кГц. Кроме того, на порядок возросла частота сравнения в ФД и соответственно уменьшился коэффициент умножения помех, приведенных к его входу, что способствует улучшению как спектральной чистоты, так и быстродействия синтезатора.

Таблица 2

Из приведенных таблиц для случаев управляемого коэффициента N можно видеть насколько прост алгоритм выбора этого коэффициента. Чтобы не было пропусков при перестройке в диапазоне частот, при каждом изменении R на единицу, коэффициент N меняется на 70 единиц. Также можно заметить, что если выбирать только верхние частоты диапазона, то там шаг сетки значительно уменьшается.

В пользу любого из вариантов однопетлевого синтезатора имеется тот факт, что в спектре помех на выходе ФД присутствуют только помехи с частотой сравнения и их гармоники, и нет никаких комбинаций других частот, сопутствующих постоянной составляющей. Это упрощает фильтрацию помех.

Некоторого улучшения разрешения по частоте можно достичь с использованием дробных коэффициентов R и N в расчёте на фильтрацию дробных компонентов в ФАПЧ. Но при этом разрядность дробей не должна быть высокой, чтобы сужение полосы ФАПЧ для их фильтрации не приводило к существенному снижению быстродействия синтезатора.

1.2. Схема со смесителем частоты

Для улучшения спектральных характеристик однопетлевого синтезатора можно использовать смеситель частоты (СМ), включенный в цепь обратной связи, как это показано на рисунке 2. На один из входов смесителя подаётся умноженная в М раз опорная частота Fr. Сигнал разностной частоты Fc-MFr отфильтровывается полосовым фильтром (ПФ) и поступает на вход ДПКД с коэффициентом деления N.

Рис.2. Схема со смесителем частоты в петле ФАПЧ

В соответствии с представленной схемой частотное образование выглядит как

.FC= (N/R+M) Fr.

Если положить, что Fr=10 МГц, R=1000, М=60 и N=10000÷19999, то приведенная формула даёт результат Fc=700÷799,99 МГц, Шаг сетки остаётся прежним, то есть dF=10 кГц. Но в данной схеме на порядок уменьшился коэффициент деления в петле ФАПЧ, а это значит, что во столько же раз снизился коэффициент усиления помех, приведенных ко входу фазового детектора. В этом и состоит главное достоинство схемы. Также важно и то, что ДПКД в этой схеме работает на пониженной частоте, из-за чего он дешевле и меньше потребляет от источника питания. Недостаток такого технического решения состоит в сравнительной сложности схемы и возможности образования на её выходе дополнительных помех комбинационного характера, получающихся в смесителе и проходящих далее по петле в цепь управления частотой ГУН. Поэтому требуется тщательная проработка схемы и конструкции узлов смесителя и умножителя частоты.

1.3. Схема Толлефсона

Заслуживает внимания структура, предложенная Толлефсоном [23] и показанная на рисунке 3. Это две петли фазовой автоподстройки частоты: ФАПЧ-1 и ФАПЧ-2, связанные друг с другом через смеситель СМ. Каждая из них содержит ГУН, ДПКД, ФД и фильтр нижних частот (ФНЧ), обозначенные номерами соответствующих ФАПЧ. Частоты сравнения FR1 и FR2 у них разные, но получены от одного опорного источника частоты Fr с помощью соответствующих делителей частоты ДЧ-1 и ДЧ-2 с коэффициентами деления NR1 и NR2 соответственно.

Для облегчения понимания как схема работает, на ней приведен числовой пример её параметров. При частоте опорного генератора, равной Fr=990 кГц, частоты сравнения FR1 и FR2 в соответствующих ФАПЧ, получаемые с помощью делителей частоты ДЧ-1 и ДЧ-2 с соответствующими коэффициентами NR1 и NR2, равны FR1=990/99=10 кГц и FR2=990/100=9,9 кГц. При этом на выходе синтезатора обеспечивается шаг сетки частот, равный 100 Гц, то есть равный разнице между частотами сравнения FR1 и FR2. Покажем это на числовом примере.

Рис.3. Схема Толлефсона

Исходя из приведенной структуры синтезатора, частота на его выходе может быть вычислена по формуле

FC=FR1×N1-FR2×N2

Тогда нижняя частота диапазона синтезатора, получаемая при коэффициентах N1=6451 и N2=1400, равна 50,650 МГц. Для получения следующей частоты диапазона необходимо одновременно сдвинуть на единицу коэффициенты N1 и N2 (таков алгоритм управления этими коэффициентами), и в результате частота сигнала окажется равной 50,6501 МГц, что на 100 Гц выше предыдущей. И далее с каждым добавлением единиц в коэффициентах N1 и N2 по указанному алгоритму добавляется 10 кГц к частоте сигнала за счёт действия первой петли и вычитается 9,9 кГц за счёт действия второй петли, и в результате частота сигнала увеличивается с шагом 100 Гц. По приведенной формуле нетрудно вычислить и верхнюю частоту диапазона. Она получается при коэффициентах N1=9509 и N2=1499 и равна 80,2499 МГц.

Достоинство схемы состоит в возможности получать мелкий шаг сетки частот при сравнительно высоких частотах сравнения. Однако эти возможности ограничены сложностью получения двух частот от одного опорного источника, когда эти частоты достаточно высоки, а разница между ними мала. Это чтобы одновременно обеспечить высокую спектральную чистоту синтезируемого сигнала и высокое быстродействие синтезатора при высокой разрешающей способности по частоте. Например, при желании иметь частоты сравнения порядка 1 МГц и шаг сетки 1 Гц, надо получить частоты 1 МГц и 1,000001 МГц, что весьма затруднительно.

Следует также отметить, что схема Толлефсона фактически вытекает из способа, предложенного Денисовым Г. В. на 11 лет ранее [24].

1.4. Схема Мартина

Интересна также идея Мартина [25], схематически показанная на рисунке 4.

Рис.4. Схема Мартина

Генератор, управляемый напряжением, ГУН1, охвачен широкополосной петлёй ФАПЧ c ДПКД1, имеющим сравнительно малые коэффициенты деления. В петлю входят также фазовый детектор ФД-1 и фильтр нижних частот ФНЧ-1. Опорная частота для этой петли берётся от ГУН2, охваченного второй, узкополосной петлёй ФАПЧ с ДПКД2 со сравнительно большими коэффициентами деления и довольно низкой частотой сравнения. Во вторую петлю входят также фазовый детектор ФД-2 и фильтр нижних частот ФНЧ-2. Но назвать вторую петлю отдельной, самостоятельной нельзя, поскольку ДПКД2 работает от того же ГУН1 и вторая петля замыкается через первую петлю. Поэтому некоторые отечественные разработчики называют такую структуру как «полтора кольца», а иногда и «тандемом». Оба ДПКД сопряжены так, что старшие разряды в них переключаются одновременно. На рисунке показан также пример получения в такой схеме октавного диапазона.

Частота сигнала на выходе синтезатора равна Fc=Fr×N2=500,000÷999,999 МГц и переключается с шагом 1 кГц. Опорная частота для первой петли лежит в диапазоне Fx=Fr×N2/N1=1,000÷1,001 МГц.

В такой структуре диапазон перестройки ГУН2 значительно меньший, чем у ГУН1, и поэтому может быть обеспечена его высокая спектральная чистота даже в узкополосной петле ФАПЧ. А поскольку частота его сигнала является опорной для широкополосной петли, работающей на выход, то достигается и улучшение спектра сигнала на выходе синтезатора. Достоинство предложенной схемы состоит также в возможности быстрого переключения частоты крупными шагами. Проблема инерционности системы при переключении частоты мелкими шагами остаётся нерешённой.

1.5. Синтезатор на базе каскадного включения систем ФАПЧ

Принцип такого частотного синтеза можно пояснить с помощью схемы, представленной на рисунке 5

.

Рис.5. Последовательное включение двух петель ФАПЧ с ДПКД

На нём показаны две петли ФАПЧ, включенные последовательно. Обе петли идентичны друг другу, и каждая из них содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). Каждый из названных элементов имеет номер на схеме в соответствии с номером петли. Системы ФАПЧ-1 и ФАПЧ-2 связаны друг с другом через ДПКД-3. Первая из них, с участием ДПКД-3, формирует переменную опорную частоту для второй, которая завершает структуру синтезатора. Для пояснения работы такой структуры, на рисунке показан числовой пример.

Приведём ниже ряд вычислений для частоты Fc на выходе синтезатора при опорной частоте Fr=50МГц:

N1=60 F1=3000 N3=59 N2=30 Fc=1 525,424 МГц

N1=59 F1=2950 N3=58 N2=30 Fc=1 525,862 МГц

N1=58 F1=2900 N3=57 N2=30 Fc=1 526,316 МГц

и

N1=59 F1=2950 N3=58 N2=58 Fc=2 950,000 МГц

N1=58 F1=2900 N3=57 N2=58 Fc=2 950,877 МГц

N1=57 F1=2850 N3=56 N2=58 Fc=2 951,786 МГц

Как видно из приведенных расчётов, получаемая дискретность сетки частот оказывается значительно меньшей исходной опорной частоты Fr. В нижней части синтезируемого диапазона частот она составляет порядка 450 кГц, а в верхней – порядка 900 кГц.

Коэффициенты деления N1 и N3 желательно выбирать со значениями, близкими друг к другу (в рассмотренном примере они отличаются на единицу). Тогда формируемая опорная частота F2 для второй петли мало отличается от исходной опорной частоты Fr, то есть также оказывается довольно высокой. Благодаря этому, полоса пропускания второй петли может быть выбрана столь же широкой, как и первой петли.

Можно также заметить, что диапазон частот, формируемый первой петлёй, не обязательно должен быть равным диапазону второй петли и может быть значительно меньшим (в приведенных вычислениях он равен всего лишь 150 МГц), из-за чего собственные шумы генератора ГУН-1 могут быть значительно снижены. Эти два фактора способствуют улучшению характеристик спектральной чистоты и быстродействия.

Однако же для получения меньшего шага сетки частот, требуется увеличивать коэффициенты деления всех трёх ДПКД и уменьшать значение опорной частоты Fr, что, естественно, приводит к ухудшению спектральной чистоты сигнала и к снижению быстродействия. Можно, конечно, решить эту задачу путём увеличения каскадов в данной структуре, то есть добавлением одной или нескольких петель ФАПЧ, но, понятно, это не всегда приемлемо из-за возрастающей сложности.

Другой возможный путь – это использование дробных делителей частоты с компенсацией помех дробности, включая вариант Fractional-N PLL петли. Примером такого решения можно назвать каскадное включение двух микросхем типа HMC830 фирмы Hittite (ныне в составе Analog Devices). Эта микросхема и есть Fractional-N PLL синтезатор с интегрированным в ней VCO (ГУН).

Важной особенностью рассматриваемой структуры является следующее. При достаточно большом наборе коэффициентов деления, включая их дробные значения, практически одну и ту же частоту на выходе можно получить при различных комбинациях этих коэффициентов. Это даёт возможность использовать наиболее удачные их комбинации, чтобы избавляться от побочных составляющих спектра (ПСС), таких, например, как Integer Boundary Spurs (IBS). Это когда частота ГУН наиболее близка к одной из гармоник опорной частоты.

Ниже показан пример, где в первой строке приведен случай IBS, то есть когда дробный коэффициент N2 наиболее близок к его целочисленному значению N2=58.

N1=45 F1=2250 N3=44 N2=58,000000000001 Fc=2 965,909 090 909 МГц

N1=46 F1=2300 N3=44 N2=56,739 130 435 Fc=2 965,909 090 920 Мгц

Вторая строка иллюстрирует случай, когда c изменением коэффициента деления N2 получена фактически та же самая частота (разница в несколько тысячных долей герца), но при этом обеспечена значительная отстройка от случая IBS. Предпочтительные комбинации коэффициентов деления могут быть запрограммированы в виде справочной таблицы по аналогии с таблицей LUT в синтезаторе типа DDS.

1.6. Трёхпетлевая схема

Из более сложных структур синтезаторов частоты наибольшее распространение получила, пожалуй, трёхпетлевая схема, показанная на рисунке 6. В ней функционально можно выделить две петли – мелкой и крупной сеток частот и третью – суммирующую петлю. На рисунке наименования блоков петли мелкой сетки снабжены индексом «1», а крупной сетки – индексом «2». В петлях мелкой и крупной сеток используются делители частоты с управляемыми коэффициентами: ДПКД-1 c коэффициентом N₁ и ДПКД-2 c коэффициентом N₂ соответственно. Опорные частоты F₀₁ и F₀₂ (суть частоты сравнения в фазовых детекторах) соответственно петель мелкой и крупной сеток получаются от общего источника опорной частоты Fr с помощью ДФКД – делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления.

Рис.6. Трёхпетлевая схема синтезатора

Выход петли мелкой сетки завершается делителем частоты с фиксированным коэффициентом M, за счёт чего на 20lgM снижаются шумы сигнала FМС на входе последующего фазового детектора ФД суммирующей петли ФАПЧ. Параметры петли мелкой сетки выбираются таким образом, чтобы получить как можно меньший шаг dFМС=F₀₁/M сетки при, по возможности, наибольшей частоте сравнения F₀₁. Диапазон частот FМС, получаемый при этом, может быть небольшим, значительно меньшим требуемого диапазона частот FС на выходе синтезатора.

Во второй петле ФАПЧ формируется крупный шаг dFКС сетки, равный этому ограниченному диапазону FМС, то есть dFКС=FМС. Суммирование сеток, крупной и мелкой, происходит в суммирующей петле. Для этого в неё включен смеситель частоты СМ, в котором происходит вычитание частоты FКС из частоты Fc или наоборот. Результат вычитания фильтруется фильтром Ф, который может быть как полосовым, так и фильтром нижних частот. Сигнал разностной частоты с выхода фильтра поступает на второй вход фазового детектора для фазового сравнения с сигналом FМС. Таким образом, крупная сетка заполняется мелкой, и в итоге выражение для частоты FC на выходе синтезатора может быть записано как

FC=FКС±FМС=N₂F₀₂±N₁F₀₁/M

Генераторы, выходной (ГУН) и крупной сетки (ГУН-2) имеют практически одинаковый частотный диапазон перестройки, поскольку FС>> FМС, то есть диапазоны отличаются лишь на небольшую величину FМС. Поэтому необходимо тщательно их сопрягать по управляющим напряжениям, чтобы избежать «зеркальной» настройки выходного генератора.

В синтезаторах по такой структуре выходной уровень шума определяется в полосе суммирующего кольца генератором ГУН-2, а за полосой – выходным генератором ГУН.

В качестве примера положим, что требуется получить диапазон частот от 700 МГц до 1 ГГц с шагом dF=10 кГц. Тогда можно выбрать следующие параметры петель ФАПЧ: F₀₁=F₀₂=1 МГц; изменение коэффициента N₁ – от 900 до 1000 через единицу; диапазон перестройки ГУН-1 от 900 МГц до 1 ГГц и M=100, то есть диапазон частот FМС на входе суммирующей петли равен FМС=9÷10 МГц с шагом 10 кГц; изменение коэффициента N₂ второй петли – от 691 до 990 через единицу; диапазон перестройки генератора ГУН-2 – от 691 до 990 МГц с шагом 1 МГц.

Выбор такой довольно высокой частоты сравнения в фазовых детекторах, как 1 МГц, позволяет обеспечить в трёхпетлевом синтезаторе время переключения частоты порядка долей миллисекунд при высокой спектральной чистоте выходного сигнала.

Недостаток – очевидная сложность системы, необходимость тщательной проработки конструкции с экранированием отдельных узлов, чтобы избежать в спектре сигнала помех комбинационного характера.

1.7. Схема Сровера

Разновидностью трёхпетлевого синтезатора является вариант, предложенный Сровером [26]. Он показан на рисунке 7. В нём используются два синхронно управляемых делителя с одинаковыми коэффициентами деления при последовательном соединении петель ФАПЧ. В некоторых периодических изданиях эта схема получила название «близнецы».

Рис.7. Схема Сровера

В первой петле представленной схемы формируется исходный шаг сетки частот, в третьей – крупная сетка с шагом Fr/M, вторая петля выполняет функцию суммирования, но в отличие от суммирующей петли предыдущей схемы здесь требования к петле значительно слабее, поскольку она выполняет сложение практически на одной частоте Fr. Наличие делителя с коэффициентом деления M и малая перестройка ГУН-2 снижают требования по шумам к генераторам первой и второй петель. Выходной уровень шума в этой схеме определяется, в первую очередь, генератором ГУН-3.

Согласно со структурой схемы выходная частота Fc синтезатора определяется выражением

FC= (N₁F₀₁+N₂Fr) /M.

Аналогично предыдущей схеме данная структура позволяет выбирать повышенные частоты сравнения в петлях, что позволяет реализовать синтезатор с улучшенными характеристиками спектральной чистоты и быстродействия.

Недостатки трехпетлевых вариантов построения синтезаторов вполне очевидны:

– значительное увеличение габаритов, потребления электроэнергии и стоимости в сравнении с однопетлевым синтезатором;

– наличие трех высокочастотных генераторов является, как правило, причиной образования паразитных дискретных составляющих в спектре сигнала синтезатора, для устранения которых требуются дополнительные усилия схемно-конструктивного плана.

2. Комбинированные схемы

2.1. Схема QuickSyn

Идея частотного синтеза, предложенная Александром Ченакиным. раскрыта в его американском патенте [27] и описана в ряде публикаций, например [28÷30]. Здесь мы ограничимся лишь описанием упрощённой схемы, только чтобы пояснить саму идею, особо не углубляясь в подробности.

Схема показана на рисунке 8. Она представляет собой систему фазовой автоподстройки частоты, содержащую в своей основе, как обычно, фазовый детектор ФД, фильтр нижних частот ФНЧ и генератор, управляемый напряжением ГУН. Особенность синтезатора заключается в построении цепи обратной связи системы.

Рис.8. Схема QuickSyn

Эта цепь содержит два параллельных тракта, работающих последовательно во времени и образующих две петли ФАПЧ. При задании нового значения синтезируемой частоты, ключ переходит в соответствующее положение, чтобы сработала первая петля (та, в которой включён делитель частоты с переменным коэффициентом деления N) и привела частоту сигнала к заданному значению с точностью, достаточной для захвата частоты второй петлёй.

После этого включается в работу вторая петля. Она действует через многокаскадный преобразователь частоты в цепи обратной связи. Преобразователь частоты содержит последовательно включённые смесители частоты, в которых в результате взаимодействия с опорными частотами происходит смещение частоты сигнала вниз к частоте сравнения в ФД. Опорная частота для каждого последующего каскада понижается с помощью многокаскадного формирователя опорных частот, состоящего из набора делителей, умножителей и смесителей частоты. Этот блок работает от сравнительно высокочастотного опорного источника частоты Fr. Здесь, можно сказать, просматривается аналогия с обычным аналоговым синтезатором с той лишь разницей, что преобразование частоты происходит вниз, а не вверх. Выход последнего каскада формирователя опорных частот служит также опорой для обеих петель ФАПЧ.

Задача для преобразователя частоты – донести спектр управляемого генератора до ФД без деления частоты. Благодаря этому, не снижается усиление в этой петле, как это имеет место в предыдущей петле, и этим достигается высокая эффективность подавления собственных шумов управляемого генератора.

Важно отметить, что интермодуляционные продукты такого многоступенчатого преобразователя частоты являются гармониками частоты сравнения фазового детектора и могут быть легко подавлены фильтром ФАПЧ. Таким образом, предложенное архитектурное решение позволяет получить довольно низкие побочные составляющие (спуры) в сравнении с классическими схемами.

Однако отмеченное достоинство схемы реализуется лишь при достаточно крупной сетке частот, шаг которой равен частоте сравнения в ФД. При уменьшении шага сетки уменьшается и частота сравнения, сужается полоса петли и соответственно снижаются качество спектра сигнала и быстродействие синтезатора.

Описанную схему можно использовать как составную часть более сложной структуры, дополнительно включающей средства для заполнения крупной сетки более мелкой сеткой. Например, можно добавить ещё одну петлю ФАПЧ, чтобы просуммировать полученную крупную сетку с мелкой, образованной с помощью DDS синтезатора.. При этом, конечно, необходимо принять меры для обеспечения достаточно низкого уровня помех от DDS. К этим мерам можно отнести использование нескольких опорных частот при выборе диапазона DDS с относительно малым уровнем помех, скажем порядка -75 дБн, подъём этого диапазона вверх с последующим делением частоты, что соответственно даёт дополнительное улучшение спектра. Более простым вариантом может оказаться также реализация опорного сигнала Fr в относительно узкой полосе частот (достаточной для заполнения крупной сетки) с помощью дополнительной петли ФАПЧ.

В итоге общая структура синтезатора существенно усложняется. Она реализована на практике в линейке синтезаторов типа QuickSyn фирмы Phase Matrix, ныне в составе National Instruments (см. те же, приведенные выше ссылки на источники), где показала очень высокие характеристики спектральной чистоты. В модели QuickSyn Lite FSW-0010, обеспечивающей диапазон от 0,5 до 10 ГГц, «полка» шума на частоте сигнала порядка 10 ГГц в полосе ФАПЧ составляет около -120 дБн/Гц, а уровень дискретных компонентов менее -70 дБн и время переключения порядка десятков микросекунд. В следующей модели – FSW-0020 – диапазон частот расширен до 20 ГГц, и на её базе создан ряд синтезаторов миллиметрового диапазона, характеристики которых приведены в Табл.3. При этом во всех приведенных модификациях шаг сетки частот равен 1 Гц, паразитные спектральные составляющие не превышают -60 дБн и время переключения частоты не более 1 мс.

Таблица 3

Недостаток – сравнительно высокая сложность и, соответственно, – стоимость. Вместе с тем всё относительно. Если при этом учесть довольно высокое отношение качества к сложности и цене, то вряд ли это можно отнести к недостаткам. Более того, полученные характеристики спектральной чистоты и быстродействия – это не архитектурные ограничения в принципе, а конкретная и весьма упрощенная реализация. Эти характеристики могут быть значительно улучшены при более полном задействовании потенциальных возможностей данного метода синтеза.

2.2. Схема на серийных микросхемах

Конечно, не всем заказчикам нужны ультранизкие шумы и спуры, а также и экстра высокое быстродействие, что в сумме достигается, как правило, за счёт увеличения энергопотребления, габаритов и стоимости. Поэтому существует задача разработки такого прибора, в котором характеристики в первой названной группе требований могут быть несколько ослабленными, зато во второй – значительно ужесточены. Один из вариантов решения этой задачи представлен в работах [31÷33].

Предложенная схема синтезатора поясняется рисунком 9, который иллюстрирует пример получения из опорной частоты Fr=100МГц, умноженной в 20 раз, сигнала с частотой Fc в диапазоне от 25 до 6000 МГц.

Рис.9. Схема синтезатора на серийных микросхемах

Синтезатор состоит из двух последовательно включённых блоков – опорного и основного синтезаторов. Первый и из них обеспечивает частоту с малым шагом перестройки в сравнительно небольшом диапазоне, а второй – использует эту частоту в качестве опорной, расширяя диапазон перестройки синтезатора в целом до нескольких октав. Частотные преобразования, как и обозначения элементов на схеме, пояснений не требуют.

Собственно, это известный принцип построения синтезатора, который, в частности, использован и в QuickSyn (см. предыдущий раздел). Новизна состоит в удачном подборе микросхем для названных блоков.

Например, вместо DDS для получения мелкой сетки в опорном синтезаторе, как это имеет место в том же QuickSyn, здесь используется дробный делитель частоты с дельта-сигма модулятором. Для этого подходит, например, микросхема ADF4159 от Analog Devices. Это существенно экономит энергопотребление и габариты, так как делитель частоты находится в составе микросхемы (ФАПЧ-1), где содержатся и другие необходимые узлы: частотно-фазовый детектор, токовый ключ и др. Фактически, система потребляет столько, сколько она потребляла бы без прямого цифрового синтезатора (экономия порядка 0,5÷1 Вт). Уровень остальных характеристик не сильно уступает решению с DDS.

Так же и в блоке основного синтезатора могут быть использованы экономичные недорогие серийные микросхемы: HMC704 от Hittite (ФАПЧ-2) и MAX2870 от Maxim Integrated (ГУН-2 и ДЧ-2).

По описанной структуре в ЗАО НПФ «Микран» разработан портативный USB синтезатор PLG06 [34] со следующими основными характеристиками: диапазон выходных частот 25—6000 МГц с шагом 1 Гц; уровень фазовых шумов -122 дБн/Гц при отстройке 10 кГц от несущей 1 ГГц; уровень негармонических составляющих в спектре -70 дБн; уровень гармоник -30 дБн; время перестройки частоты 100 мкс.

Имеется режим аналоговой модуляции: АМ, ФМ, ЧМ, ИМ (внешний/внутренний источник) и режим сканирования.

Прибор, обладая функциональными возможностями классических лабораторных генераторов, потребляет всего 2,5 Вт, питается и управляется через один провод USB 2.0. Габариты прибора всего лишь 125х65х25 мм.

2.3. DDS в петле ФАПЧ

Идею использования DDS в петле ФАПЧ для формирования сетки частот рассмотрим на примере генератора SG8-HP01M фирмы ООО Адвантех, Москва [36]. Схема генератора показана на рисунке 10.

Рис.10. Пример синтезатора с DDS в петле ФАПЧ

DDS в этой схеме выполняет роль делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Он тактируется поделённой в 8 раз частотой в октавном диапазоне 4÷8 ГГц, поступающей от ГУН. Коэффициент деления DDS, как делителя частоты, также перестраивается в октавном диапазоне в соответствии с октавным частотным диапазоном 0,5÷1 ГГц на его входе. Таким образом, частота на выходе DDS остаётся постоянной и равной опорной частоте Fr (при наличии синхронизма в петле).

Верхний, наиболее крупный, октавный диапазон получается непосредственно на выходе ГУН, а остальные, более мелкие, – после деления верхнего диапазона двоичными делителями частоты, как это будет рассмотрено в разделе 2.5.

Очевидное достоинство схемы, как и любой другой однопетлевой структуры, состоит в простоте её реализации. Недостаток – довольно высокий уровень негармонических составляющих в спектре сигнала, происходящих из DDS.. При постоянном значении опорной частоты Fr он достигает -50 дБн в полосе отстроек от сигнала 2 МГц. Этот уровень можно снизить на 10 дБ путём использования двух опорных частот, переключаемых автоматически по встроенной программе.

В рассматриваемом генераторе уровень фазовых шумов составляет -120 дБн на частоте сигнала 1 ГГц при отстройке на 10 кГц и время переключения частот – порядка 4 мс. Полученные характеристики можно считать достаточными, чтобы данный отечественный прибор мог составить конкуренцию зарубежным аналогам.

2.4. Схема Садовского

Идея, предложенная автором, отличается особым способом построением ДДПКД в петле ФАПЧ [37]. Схема синтезатора частоты, в которой используется эта идея, показана на рисунке 11.

Рис.11. Схема Садовского

Дробный делитель частоты представлен в ней двумя делителями с целочисленными коэффициентами K и L и смесителем частоты СМ с фильтром Ф на его выходе. Результирующий коэффициент деления для такой структуры равен

N=KL/ (K±L)

.где К больше L.

Достоинство идеи состоит в том, что такой делитель частоты, обладая свойствами дробного деления, не имеет на своём выходе помех дробности. Это можно показать на примере.

Положим, что при опорной частоте Fr=10 МГц требуется получить частоту Fc=119 МГц на выходе ГУН, включенного в петлю ФАПЧ. При этом необходимо иметь коэффициент деления в петле равный N=11,9. Его можно обеспечить, задав следующие значения коэффициентов деления: K=17 и L=7. Тогда частоты на входах смесителя СМ окажутся равными соответственно FK=119/17=7 МГц и FL=119/7=17 МГц, а их разность на выходе смесителя составит 10 МГц, которая и используется для сравнения с опорой частотой 10 МГц в фазовом детекторе ФД.

Если же использовать суммирование частот FK и FL при тех же коэффициентах деления 17 и 7, то получится результирующий коэффициент деления

N= (17×7) / (17+7) =4.9583 (3)

и соответствующая ему частота равна Fc=49,583 (3) МГц. При этом частоты на выходах соответствующих делителей равны FK=2,916 (6) МГц и FL=7,083 (3) МГц, а их сумма равна 10 МГц, которая, как и в предыдущем случае, используется для сравнения в фазовом детекторе.

Недостатком рассмотренной структуры является необходимость включения фильтра Ф, чтобы избавиться от комбинаций типа +/-nFK+/-mFL. Это существенно ограничивает возможности широкого выбора коэффициентов K и L. Кроме того, стремление обеспечить высокое разрешение по частоте приводит к необходимости соответствующего увеличения этих коэффициентов и сужения полосы пропускания фильтра, что – и то и другое – соответственно снижает быстродействие синтезатора. К недостаткам можно также отнести и относительно сложный алгоритм выбора требуемой частоты сигнала. Для каждых конкретных требований к диапазону частот синтезатора, шагу сетки частот и быстродействию необходима таблица с предварительно рассчитанными значениями коэффициентов K и L.

Однако, благодаря бесспорным достоинствам схемы по сравнению со схемами, использующими как целочисленные, так дробные коэффициенты деления, данная схема могла бы найти практическое применение, хотя и ограниченное отмеченными недостатками. Более обстоятельно схема проанализирована в работе [38].

2.5. Расширение диапазона частот

Понятно, что пределы перестройки ГУН ограничены, и в первую очередь из-за необходимости обеспечения допустимого уровня шума. Генераторы с перекрытием по частоте более октавы практически не применяются. Расширить диапазон частот синтезатора можно, используя набор из нескольких коммутируемых генераторов. Однако это довольно сложно и дорого. Но если уже получен октавный диапазон, то далее можно расширять диапазон частот синтезатора вниз по частоте достаточно простым способом, как это показано на рисунке 12.

Рис.12. Схема расширения диапазона частот Fc

На рисунке показан пример получения диапазона частот Fc=FС0/2, где FС0 – исходный октавный диапазон. Чтобы избежать попадания в спектр сигнала Fc её субгармоник, последующие делители частоты, после используемых, отключаются. В качестве делителей частоты целесообразно использовать триггеры с выходным напряжением в виде меандра, не содержащим второй гармоники. Поэтому синусоидальный сигнал на выходе Fc может быть получен с помощью довольно простых фильтров нижних частот октавного диапазона.

Данный способ расширения диапазона частот широко используется на практике [39], в частности в разработках фирм Phase Matrix / NI, США, (FSW-0010), Stanford Research Systems, США (7SG392, 7SG394, 7SG396), AnaPico Inc, Швейцария (APSIN6010), Advantex, Москва (SG8), Микран, Томск (PLG06) и некоторых других фирм.

3. Схемы с дробным делителем частоты и компенсацией помех дробности и другие схемы

Перейдём далее к рассмотрению однопетлевых структур с дробным делителем частоты и различными вариантами схем для компенсации помех дробности.

3.1. Схема Бреймера-Джиллета

Один из таких вариантов представлен на рисунке 13. Если в общих чертах, то она почти одновременно запатентована авторами Бреймером и Джиллетом [40, 41]. Правда, в описаниях к их патентам много внимания уделено построению оригинальных схем ДДПКД, хотя это не касается самого принципа компенсации помех дробности и потому не отражено на приведенном рисунке.

Рис.13. Схема Бреймера-Джиллета

ДДПКД представлен в виде целочисленной части с коэффициентом деления N₀ и дробной части, выполненной на аккумуляторе (накапливающем сумматоре). Импульс переполнения последнего передаётся в целочисленную часть, и общий коэффициент деления увеличивается при этом на единицу, из-за чего и возникает помеха дробности.

Для её компенсации используется ЦАП, с помощью которого формируется сигнал – копия помехи, продетектированной в ФД. В сумматоре напряжения с выходов ЦАП и ФД складываются в противофазе, благодаря чему помеха дробности подавляется.

Понятно, что степень подавления помехи зависит от точности ЦАП и от точности сумматора, и эти точности, естественно, ограничены. Поэтому если ёмкость аккумулятора довольно большая (чтобы получить достаточно мелкий шаг сетки частот), нет смысла брать ЦАП той же ёмкости, её ограничивают 12÷14 разрядами, подключаемым к соответствующим старшим разрядам аккумулятора.

3.2. Вариант с интегратором

Другой вариант [42] схемы компенсации помехи дробности показан на рисунке 14. В нём используются, в основном, те же блоки, что и в предыдущей схеме. Добавлен только интегратор, а ЦАП предназначен для другой цели.

Рис.14. Вариант схемы с интегратором

Каждое переполнение аккумулятора вызывает скачёк частоты на выходе делителя частоты. Чтобы его скомпенсировать, необходимо создать сигнал, соответствующий получаемому при этом отклонению фазы, и сложить его в противофазе с напряжением на выходе фазового детектора. Для этого и служит интегратор. Он может быть выполнен на базе операционного усилителя.

Требуемый уровень компенсирующего сигнала обратно пропорционален коэффициенту деления. Поэтому при достаточно большом частотном перекрытии синтезатора, и, следовательно, широком диапазоне изменений коэффициента деления, необходимо управлять коэффициентом передачи интегратора, для чего и служит ЦАП. Он может быть использован в качестве источника для питания интегратора, чтобы напряжение на его выходе контролировалось управляющим кодом. В предыдущей схеме такая возможность отсутствовала. Но и там можно ввести дополнительный ЦАП, питающий уже имеющийся (который должен быть умножающего типа) и подключенный к управляющей шине.

3.3. Схема Кокса

По своей структуре схему Кокса [43] можно отнести к прямым цифровым синтезаторам с некоторыми особенностями. Сигнал в ней получается делением опорной частоты в переменное дробное число раз с последующей компенсацией помех дробности путём программируемого временного сдвига сигнала на выходе схемы.

Схема представлена на рисунке 15. Она содержит программирующее устройство для задания целочисленной и дробной частей коэффициента N, поглощающий счётчик (обозначен на схеме как: N), аккумулятор для формирования дробной части коэффициента деления и генератор задержек, управляемый цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Поглощающий счётчик тактируется импульсами опорной частоты Fr, а аккумулятор – сигнальными импульсами частоты Fc. Поглощающий счётчик вместе с аккумулятором образуют, в целом, схему ДДПКД.

Рис.15. Схема Кокса

Работу схемы можно рассмотреть на конкретном примере. Положим, что при опорной частоте, равной Fr=100 МГц, требуется получить частоту сигнала Fc=30 МГц. Это значит, что при некотором разрешении по частоте импульс на выходе синтезатора должен появляться через каждые 3,3333 периодов опорных импульсов. Для этого целочисленная часть коэффициента деления N устанавливается равной N₀=3, а для обеспечения дробной части этого коэффициента, число на входе аккумулятора равно 3333 при его ёмкости, равной 10000. Понятно, что при этом искомая частота 30 МГц будет получена с погрешностью 300 Гц. Положим также, что поглощающий счётчик и аккумулятор оба включаются в работу при нулевых начальных условиях.

Поглощающий счётчик устроен таким образом, что импульсом переполнения аккумулятора один опорный импульс с его входа вычёркивается.

Первые три опорных импульса беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая первый сигнальный импульс, который и далее беспрепятственно проходит через генератор задержек на выход схемы. Это потому, что, во-первых, импульс переполнения аккумулятора отсутствует, а во-вторых, содержимое аккумулятора, как и ЦАП, равно нулю и, следовательно, генератор задержек не создаёт временного сдвига для этого импульса. Данный импульс, воздействуя на аккумулятор, меняет его содержимое с нуля до 3333.

Следующие 3 опорных импульса также беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая на его выходе второй сигнальный импульс. Однако далее этот импульс проходит на выход схемы с задержкой на 0,3333 периода Tr опорных импульсов, которая создаётся генератором задержек под воздействием сигнала с выхода ЦАП. Этот сигнальный импульс увеличивает содержимое аккумулятора до значения 6666.

После трёх последующих импульсов Fr получается третий сигнальный импульс на выходе поглощающего счётчика, который проходит на выход схемы с задержкой 0,6666Tr в соответствии с новым значением содержимого аккумулятора. Аналогичным образом формируется четвёртый сигнальный импульс с задержкой 0,9999Tr.

На пятом сигнальном импульсе аккумулятор переполняется, его содержимое сбрасывается до значения 3332, а его импульсом переполнения вычёркивается один импульс Fr на входе поглощающего счётчика. И далее схема действует по описанному алгоритму, выравнивая, с помощью генератора задержек, расстановку сигнальных импульсов во времени, чтобы сделать процесс периодическим, то есть исключить помеху дробности.

Один из возможных вариантов схемы генератора задержек показан на рисунке 16. При отсутствии импульса с выхода ДДПКД ключ замкнут, что предотвращает заряд конденсатора C от источника тока.

Рис.16. Схема генератора задержек

В то же время триггер находится в состоянии «0». С появлением упомянутого импульса ключ размыкается, и источник тока заряжает конденсатор C по линейному закону. Напряжение с конденсатора сравнивается в компараторе с напряжением на выходе ЦАП, и при их равенстве возникает импульс на выходе компаратора, который переводит триггер в состояние «1». Временной интервал между импульсами с выходов ДДПКД и триггера является линейной функцией напряжения с выхода ЦАП. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы максимальное напряжение с выхода ЦАП соответствовало задержке, равной одному периоду импульсов опорной частоты Fr.

По эффективности действия рассмотренные выше схемы примерно эквивалентны. Из-за относительно невысокой точности цифро-аналогового преобразования, суммирования и аналогового интегрирования в них не удаётся достичь высокой спектральной чистоты сигнала, чем и ограничивается область их использования.

3.4. Схема Ундервуда

Схема представлена на рисунке 17 [44]. В качестве ДДПКД в ней используется накапливающий сумматор (аккумулятор) для деления опорной частоты Fr с коэффициентом N=Q/A, где Q – ёмкость аккумулятора, а A – накапливаемое им число, содержащееся в управляющем коде N. Импульсы переполнения аккумулятора поступают на один из входов фазового детектора ФД, являясь, таким образом, «опорой» для петли ФАПЧ, формирующей частоту Fc сигнала. Другой вход ФД подключен к выходу ГУН.

Рис.17. Схема Ундервуда

В итоге, частота сигнала Fc равна средней частоте импульсов на выходе аккумулятора, то есть

Fc=Fr/N=AFr/Q.

Для компенсации помех дробности здесь используется ЦАП. В нём остатки от переполнения аккумулятора преобразовываются к аналоговому виду, и этот процесс складывается в сумматоре в противофазе и с соответствующим весом с выходным сигналом фазового детектора, благодаря чему помеха дробности устраняется. Фильтр ФНЧ служит для подавления компонентов с частотой Fc и их гармоник, а также остатков высокочастотных составляющих помехи дробности.

Уровень помех дробности на выходе синтезатора зависит как от точности ЦАП, так и от точности суммирования сигналов в сумматоре. Правда, весовые соотношения складываемых сигналов постоянны, и это облегчает достижение более высокого уровня компенсации, чем в схеме Бреймера-Джиллета и в схеме с интегратором, рассмотренных выше.

Также важно заметить, что частота Fc сигнала ниже опорной частоты Fr. Чтобы поднять частотный диапазон сигнала вверх, можно дополнительно включить делитель частоты в сигнальный тракт. Если его коэффициент деления равен M, то получим частоту сигнала Fc, равную

Fc=Fr/N=AMFr/Q.

Но при этом, естественно, помехи дробности в спектре сигнала возрастут на 20lgM дБ.

Возможен и такой вариант, когда аккумулятор в роли ДДПКД, включен в сигнальный тракт. Но тогда потребуются средства для управления весовыми соотношениями в сумматоре, как это имело место в схеме с интегратором и в схеме Бреймера-Джиллета. Это неизбежно приведёт к снижению суммарной точности компенсации, то есть к ухудшению спектральной чистоты сигнала.

3.5. Вариант с импульсным ФД типа «выборка-хранение»

Схема варианта представлена на рисунке 18 [45]. Она содержит последовательно включенные аккумулятор, ЦАП, фильтр нижних частот и импульсный детектор типа «выборка-хранение» Её работа поясняется с помощью рисунка 19.

Рис.18. Вариант с ФД типа «выборка-хранение»

Рис.19. Временные диаграммы, поясняющие работу детектора на рисунке 18.

Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. В качестве примера, он содержит 4 двоичных разряда, и код на его входе равен R=5. Импульсный, ступенчатый процесс в аккумуляторе и, соответственно, пропорциональное ему напряжение на выходе ЦАП включают в себя две пилообразные компоненты: непериодическую G и периодическую H с опорной частотой Fr. Высокочастотная компонента H подавляется фильтром нижних частот, а низкочастотная компонента G проходит на аналоговый вход детектора типа «выборка-хранение».

На импульсный вход детектора подаются импульсы сигнальной частоты Fc, производящие выборки из компоненты G. Эта компонента обладает тем свойством, что при состоянии синхронизма в петле ФАПЧ, значение выборок, от импульса к импульсу, остаётся постоянным, и таким образом формируется напряжение EС для управления частотой ГУН.

При своей относительной простоте, схема имеет существенный недостаток. Выделить компоненту G с желаемой точностью можно лишь при значительном отношении частот Fr/Fc, чтобы в нужной степени подавить компоненту H, не внося существенных искажений в компоненту G. В противном случае уровень помех дробности в спектре сигнала может оказаться недопустимо высоким. Поэтому схема может быть использована в диапазоне довольно низких частот сигнала, когда пилообразная компонента G не искажается фильтром нижних частот в верхней части его частотного диапазона.

Нетрудно заметить, что эту схему можно использовать и как синтезатор прямого типа. Если после фильтра включить пороговый элемент, то на его выходе получим импульсы синтезируемой частоты Fc=RFr/Q с шагом сетки частот, равным dF=Fr/Q, где Q – ёмкость аккумулятора. При этом отмеченный выше недостаток остаётся в силе.

3.6. Схема Никифорова

Недостаток предыдущего варианта устраняется в схеме, предложенной Никифоровым В. И. [46; 47] и показанной на рисунке 20.

Рис.20 Схема Никифорова

Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 21.

Рис.21. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 20

Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. Чтобы избежать излишней сложности в описании работы схемы, здесь выбраны небольшие значения как его ёмкости Q=16 так и накапливаемого им числа R=3. Импульс переполнения аккумулятора поступает на формирователь импульсов, синхронизируемый частотой Fr. Цифровая последовательность с выхода аккумулятора подаётся на один из входов мультиплексора, а на другой вход последнего – код R.

Мультиплексор переключается импульсом с одного из выходов формирователя импульсов таким образом, что на выходе мультиплексора с каждым переполнением аккумулятора чередуются код R и остаток H в аккумуляторе как результат его переполнения. При этом время действия остатка удваивается относительно периода T₁=1/Fr. Далее цифровая последовательность с выхода мультиплексора преобразовывается ЦАП в аналоговый эквивалент и поступает на интегрирующее звено, которое может быть выполнено на основе операционного усилителя. Элемент разряда служит для сброса заряда в интегрирующем звене во время переполнения аккумулятора. Для этого используется управляющий импульс с другого выхода формирователя импульсов. Длительность этого импульса равна T₂=2/Fr. За это время интегрирующее звено должно быть полностью очищенным от заряда.

На диаграммах рисунка 21 показано: A) – процесс в аккумуляторе; B) – импульс управления разрядом интегрирующего звена; C) – импульс управления мультиплексором; D) – текущие значения кода на выходе мультиплексора и пропорциональные им аналоговые величины на выходе ЦАП; E) – напряжение на выходе интегрирующего звена.

Следует обратить внимание на характерные особенности диаграммы E в моменты времени, отмеченные пронумерованными точками на оси абсцисс. Точка 0 – интегрирующее звено полностью разряжено. Точка 1 – мультиплексор включил на входе ЦАП число R=3, и на интервале времени до точки 2 звено заряжается по линейному закону со скоростью, определяемой эквивалентом этого числа на выходе ЦАП. Точка 2 – аккумулятор переполнился; импульс «B» сбросил заряд интегрирующего звена; импульс «C» включил через мультиплексор остаток от переполнения аккумулятора. Точка 3 – интегрирующее звено заряжается со скоростью, пропорциональной преобразованной в ЦАП величине остатка H=2. Точка 4 – снова включен код R=3, и интегрирующее звено в течение интервала до точки 5 заряжается с соответствующей, упомянутой выше, скоростью. От точки 5 до точки 6 повторяются операции как они были на интервале 2÷3 (от точки 2 до точки 3). Точка 6 – остаток изменился на H=1, и на интервале 6÷7 скорость заряда интегрирующего звена уменьшилась в 2 раза по сравнению с интервалом 3÷4. На интервале 7÷8 заряд интегрирующего звена снова происходит в соответствии с кодом R=3, и далее процесс повторяется.

Как показано на рисунке 21, если брать выборки функции E через некоторые одинаковые интервалы времени TС в области значений функции от Umin до Umax, где она строго линейна, то значения Ec выборок оказываются неизменными. Umin – это значение функции, соответствующее точке 4, то есть когда остаток и накопленный в интегрирующем звене заряд во время действия этого остатка минимальны. Umax – это значение функции, соответствующее точке 8, то есть когда её максимальное значение на интервале от переполнения аккумулятора до его очередного переполнения максимально среди всех возможных случаев для выбранных параметров R и Q.

Период упомянутых выборок равен Tc=QTr/R, то есть их частота равна RFr/Q. Благодаря этому, если сигнал с выхода интегрирующего звена подать на аналоговый вход импульсно-фазового детектора типа «выборка-хранение», а другой его вход подключить к импульсному выходу ГУН, включенному в петлю ФАПЧ (для этого используется выход 1 на рисунке 20), то его частота Fc будет приведена, с помощью управляющего напряжения EC, в соответствие с опорной частотой через полученное выше соотношение частот. Шаг сетки частот при этом равен dF=Fr/Q. Рабочая область статической характеристики ФД, простирающаяся от Umin до Umax, достаточно широкая для успешной работы системы ФАПЧ.

Понятно, что в случае реального интегратора, из-за его несовершенства, возникает искажение процесса Е на его выходе, что приводит к появлению помех дробности, обязанных взаимной некратности чисел R и Q. О величине этих помех будет сказано ниже.

В принципе, входы частот Fr и Fc на рисунке 20 можно поменять местами, чтобы получить на выходе системы ФАПЧ более высокую частоту в соответствии с выражением Fc=QFr/R. Однако при этом надо учитывать, что в этом случае интегрирующее звено оказывается включенным в петлю ФАПЧ, и, обладая задержкой сигнала, может ухудшить устойчивость системы.

Если в рассмотренной схеме используется импульсно-фазовый детектор типа выборка-хранение, то объективных причин для включения в систему ФАПЧ фильтра нижних частот нет. Его можно использовать лишь для подавления компонентов с частотами Fc и Fr, просачивающихся через ФД, но эти частоты достаточно высокие, ФНЧ может быть широкополосным, а ФАПЧ – с высоким быстродействием.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.