Зачем нужен синтезатор частоты

10

Синтезатор частоты

Синтезатор частоты (сокращенно СЧ) — это прибор, позволяющий генерировать периодические сигналы с заданной частотой. Это могут быть гармонические колебания или тактовые электрические сигналы. Диапазон регулируемых частот достигается за счет линейных повторений путем их умножения, суммирования или вычитания. Синтезатор частот используется в различных радиопередатчиках, приемниках, измерителях колебаний, генераторах сигналов. Например, в системах автомобильной сигнализации, при сборе и обработке информации с удаленных объектов, систем контроля доступа, в радиотелефонии.

Типы синтезаторов частот

По своей конструкции и принципу работы СЧ делятся на три основных вида:

• аналоговые;
• цифровые;
• синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты.

Рассмотрим каждый тип детальнее.

Аналоговые устройства

Функция СЧ заключается в преобразовании полученного сигнала в требуемое количество выходных импульсов. Аналоговые синтезаторы частот работают по принципу микширования их отдельных диапазонов с дальнейшим фильтрованием.

Устройства этого типа обладают существенным преимуществом — они способны очень быстро переключаться между рабочими диапазонами. Дополнительное преимущество заключается в том, что они обладают очень низкими собственными шумами.

Однако у аналоговых СЧ есть и недостатки. В частности, малые диапазон и разрешение. Этот недостаток можно исправить аппаратным путем, однако для этого необходимо использовать много дополнительных элементов.

Цифровые частотные синтезаторы

Такой тип СЧ еще называют микросхемой синтезатором . На первом этапе происходит оцифровка полученного исходного сигнала при помощи фазового накопителя. Далее по заложенной программе при помощи ЦАП получается выходной сигнал заданной формы и частоты.

Основное преимущество цифровых СЧ заключается в высокой разрешающей способности, которая может быть менее 1 Гц. Но при этом существует и ряд недостатков:

1. Большое искажение сигнала.
2. Узкий частотный диапазон.
3. Высокое содержание шумов.

Однако для устранения перечисленных недостатков существуют проверенные решения. На практике цифровые СЧ используют в аналоговых системах.

Частотные синтезаторы с ФАПЧ

Большое преимущество синтезатора с фазовой автоподстройкой частоты — выходной спектр с чистой характеристикой. Также устройство более простое в сравнении с аналоговыми СЧ. При этом имеются и недостатки. Первый из них — большое время перенастройки. Второй — значительный фазовый шум.

Для улучшения упомянутых характеристик применяют аппаратные и программные решения. Однако это требует дополнительной настройки параметров аппаратуры.

Из чего состоит цифровой СЧ

В большинстве случаев цифровой синтезатор частоты с импульсно-фазовой автоподстройкой состоит из таких компонентов:

• блок формирования частоты входного сигнала;
• схема приведения преобразующего генератора;
• фазочастотный детектор.

Современные СЧ также имеют в своей конструкции предварительный делитель частоты (второе название — «прескалер »). Это позволяет значительно расширить диапазон выходного сигнала.

8 Синтезаторы частот

Синтезатор частоты — устройство, формирующее заданный набор частот из одной или нескольких опорных частот путем использования операций сложения, вычитания, деления и умножения.

По способу формирования выходного сигнала синтезаторы делятся на пассивные и активные. Иногда эти способы называют прямым и непрямым синтезом частот.

В синтезаторах активного типа фильтрация нужной частоты из набора осуществляется обычно с помощью активного фильтра, например кольцом ФАПЧ, включающим в себя перестраиваемый автогенератор.

В синтезаторах пассивного типа выходной сигнал формируется путем многократного преобразования исходного опорного колебания и фильтрации нужного колебания пассивными фильтрами.

Как правило, чистота спектра у пассивного синтезатора хуже, чем у активного.

8.1 Пассивные некогерентные синтезаторы

Простейший пример пассивного синтеза рассмотрим на примере интерполяционной схемы, изображенной на рис. 8.1.

Почему так своеобразно выбраны наборы частот кварцевых резонаторов?

Дело в том, что на выходе каждого смесителя образуются комбинации частот: . Если комбинационная частота какого-то порядка попала в полосу пропускания фильтра, стоящего после смесителя, она уже не может быть отфильтрована и присутствует в выходном сигнале синтезатора.

Известно, что уровень комбинационной составляющей тем меньше чем выше ее номер. Задача разработчика так выбрать частоты на входах смесителей, чтобы уровень комбинационных попадающих в полосу фильтра был меньше допустимого по техническому заданию. Для приведенной схемы в полосу пропускания первого фильтра попадает комбинационная составляющая 11-того порядка:—nf₁+mf₂= —55мГц + 66 МГц= 11 МГц, ее уровень в хорошо спроектированных смесителях не превышает – 90 дБ (рис. 8.2).

В синтезаторах рассмотренного типа требуется большое количество кварцевых резонаторов, что усложняет задачу термостатирования. Кроме того, выходное колебание не является когерентным, так как это сумма колебаний нескольких независимых генераторов.

8.2 Пассивные когерентные синтезаторы

8.2.1 Синтезатор с идентичными декадами

Схема синтезатора приведена на рис. 8.3.

Частоты, которые формируются в различных точках структурной схемы, представлены в таблице 8.1.

Пример. Пусть синтезатор состоит из пяти декад k = 5. Последняя декада как и на рис. 7.8 неполная. Пусть также все переключатели находятся в последнем десятом положении:n₅=n₄=n₃=n₂=n₁=9. Опорная частотаf = 1 МГц.

Если все переключатели установлены в нулевое положение,

Таблица 8.1 — Частоты в схеме синтезатора

Номер декады

На выходе фильтра

На выходе делителя

Нижняя частота синтезатора равна f_н = 10f. Верхняя частота равнаf_в  10f+10f . Коэффициент перекрытия по частоте можно определить из соотношения 9f+9f < 10f, откудаf < f/9 или < 1,1.

8.3 Синтезаторы на основе фапч

Основным недостатком синтезаторов пассивного типа является невозможность фильтрации нежелательных комбинационных составляющих ниже уровня – (60—70) дБ. Это определяется возможностями пассивных фильтров.

8.3.1 Простейшим активным фильтром, обеспечивающим фильтрацию более высокого уровня, является система ФАПЧ. На фазовый детектор (рис. 8.4) поступают напряжения от выходного генератора G₂и импульсной последовательности от опорного генератораG₁. Если частоты напряжений на входах ФД равны, его выходное напряжение пропорционально разности их фаз. Это напряжение через управитель частоты поддерживает частоту генератораG₂равной частоте генератораG₁. Условие синхронизма может выполняться, если частота генератораG₂будет кратна частоте генератораG₁. Управителем частоты чаще всего является варикап, включенный в контур генератораG₂. Так как варикап изменяет свою емкость при изменении постоянного управляющего напряжения, проложенного к его обкладкам, то генераторG₂часто называют генератором управляемым напряжением (ГУН).

В схеме простейшего цифрового синтезатора с ФАПЧ (рис. 8.5) для перестройки частоты ГУНа между ним и ФД включают делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД).

Условие синхронизма в этом случае запишется следующим образом:

(8.1)

Следовательно, изменяя коэффициент деления ДПКД на единицу можно переключить (перестроить) частоту ГУН на величину равную f₁/m. Эта величина называется шагомfсинтезатора.

8.3.2 Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ

Из структурной схемы (рис. 8.5) следует, что на входах ФД суммируются фазовые шумы ОГ и ГУНа, продукты детектируются, фильтруются, усиливаются и управляют частотой ГУНа, то есть определяют его спектр. Этому соответствует структурная схема по фазовым шумам (рис. 8.6).

Здесь: К1— коэффициент передачи ФД;

К2— коэффициент передачи ФНЧ;

К3— коэффициент передачи управителя ГУН;

U_Ш0— шумы на выходе ГУНа;

U_Ш0Г— шумы опорного генератора.

Для шумов, спектр которых лежит в полосе ФНЧ, можно записать:

(8.2)

знак «–» означает, что обратная связь в кольце ФАПЧ отрицательная. Из (8.2) следует:

(8.3)

Если К1=К2=К3, что возможно при отсутствии ФНЧ

(8.4)

Это уравнение ФНЧ первого порядка или интегратора.

1 Фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания петли ФАПЧ определяются фазовыми шумами опорного генератора.

2 Если частота ГУНа в n-раз выше частоты ОГ (или частоты сравнения), то фазовые шумы синтезатора на 20 lgnвыше фазовых шумов ОГ. То есть медленные изменения частоты РГ полностью отрабатываются кольцом ФАПЧ, увеличиваясь на выходе вn-раз.

Для шумов, лежащих выше полосы фильтра, в частности для шумов ГУНа, запишем:

(8.5)

То есть за полосой пропускания петли ФАПЧ шумы определяются только собственными шумами ГУНа.

8.3.3 Выбор частоты сравнения

Поскольку шаг сетки частот определяется частотой сравнения (8.1), малый шаг требует малой частоты сравнения. При этом ухудшаются две характеристики синтезатора:

— время перехода с частоты на частоту не может быть меньше постоянной времени ФНЧ (последняя определяется условием необходимой фильтрации продуктов частоты сравнения);

— большой коэффициент умножения частоты в петле ФАПЧ означает большое увеличение (на 20 lgn) шумов опорного генератора на выходе синтезатора.

Поэтому однопетлевые синтезаторы применяют только в простейших случаях.

8.3.4 Пример синтезатора приемника CR-300 (Швеция)

Схема была разработана в конце 70-х годов и элементная база того времени наложила ограничение на принятые решения. В частности ДПКД работали на частотах не более 50 МГц, поэтому пришлось сдвигать с помощью смесителей (СМ) сигналы в область их устойчивой работы. Для получения шага сетки 100 Гц и необходимого быстродействия в третьем кольце ФАПЧ выбрана частота сравнения 1 кГц, а после ГУНа поставлен делитель f/10, позволивший уменьшить шаг до 100 Гц. В этом приемнике использована первая ПЧ с частотойf = 139,3 МГц. При указанных на рис. выходных частотах синтезатора (140,8—169,3) МГц, это обеспечивает работу приемника в диапазоне (1,5—30) МГц и малый уровень комбинационных составляющих на выходе смесителя.

Синтезатор частот. Назначение. Область применения.

Синтезатор -устройство, предназначенное для формирования в заданном диапазоне частот нескольких высоко стабильных колебаний, определяемых стабильностью параметров задающего генератора.

Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприёмниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты.

Основной функцией абсолютно любого синтезатора является преобразование опорного сигнала в требуемое количество выходных сигналов.Если требуется синтезировать частоту f2, которая в n раз большечастоты f1, то для этого необходимо f2 разделить на n с помощь программированного счетчика и полученный результат подвести к ФД для сравнения.

Управляющее напряжение на выходе ФД пропорционально разности фаз двух поданных на него колебаний, частоты которых в установившемся режиме равны. Поскольку после фильтрации выходной сигнал представляет собой постоянное напряжение, то его можно использовать для управления частотой ГУНа.

Электрические параметры железнодорожных радиостанций. Значения этих параметров для используемых частот в приемнике и передатчике.

Как известно, в радиостанциях для технологической железнодорожной радиосвязи используется частотная модуляция.

Номинальная частотная девиация (наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты.) для радиостанции данного типа устанавливается на частоте 1000 Гц. При этом коэффициент нелинейных искажений передатчика не должен превышать 6 %. Излучения передатчика делят на основные и неосновные. К основным относятся излучения на частотах, находящихся в полосе частот, необходимых для передачи данного вида сообщений.

Необходимой полосой излучения называют ширину полосы частот при используемом классе излучения, достаточную для передачи сигналов с требуемыми скоростью и качеством. Так, для ЧМ-сигнала занимаемую полосу частот можно подсчитать по формуле ,

где – индекс частотной модуляции ( – максимальная девиация частоты), .

Неосновные излучения радиопередатчиков – это излучения на частоте (или частотах), находящихся за пределами необходимой полосы. Для радиостанции типа ЖРУ они не должны превышать 25 мкВт, для комплекса «Транспорт» они должны быть меньше 2,5 мкВт на всех частотах от 100 кГц до 1000 МГц.

Основным параметром приемного устройства является чувствительность. Чувствительность определяется минимальным уровнем сигнала на входе, который обеспечивает нормальный уровень выходного сигнала при заданном отношении сигнала/шум.

Существует другой метод определения чувствительности приемника – СИНАД. Чувствительность оценивают по линейным искажениям выходного сигнала на нагрузке приемника. Значение подаваемого на вход сигнала (нормального испытательного сигнала: F = 1 кГц, девиация – номинальная) устанавливается таким, чтобы нелинейные искажения были равны 25 % (12 дБ). Этот метод более полно характеризует условия работы приемника.

Приемник имеет основной канал приема и неосновные. Неосновные каналы можно разделить на внеполосные и побочные.

Внеполосные каналы проявляются на соседних с основным каналом частотах.

Побочные каналы образуются в смесителях и определяются недостаточной избирательностью трактов (пример: зеркальный канал в супергетеродинном приемнике).

Свойство приемника подавлять эти каналы количественно оценивается избирательностью.

Один из способов оценки – это отношение чувствительности на зеркальном (т. е. подавляемом) канале к чувствительности на основном, выраженное в дБ.

Синтезаторы частот

Для получения синусоидальных напряжений с частотами порядка 0,1 – 20 МГц в технике проводной связи применяют измерительные генераторы с кварцевой стабилизацией частоты, которые имеют малую погрешность (до 10 –6 ) и высокую стабильность частоты. В таких генераторах с помощью кварцевого резонатора стабилизируется обычно одна, основная (опорная) частота. Чтобы получить ряд стабилизированных частот, используют два способа. При одном из них выходной сигнал формируется из основной, стабилизированной кварцем, частоты путем многократного ее деления, умножения и преобразования; при другом – выходной сигнал получается от генератора LC или RC , частота которого автоматически подстраивается по частоте опорного генератора с кварцевой стабилизацией.

Основным блоком генератора с кварцевой стабилизацией является синтезатор частоты, который представляет собой источник синусоидального напряжения, выходная частота которого получается в результате преобразования частоты опорного высокостабильного генератора.

В общем виде синтезатор частоты состоит из опорного генератора с кварцевой стабилизацией, блока опорных частот, содержащего в простейшем случае делители, умножители и преобразователи частоты, и блока синтеза частот, в котором создаются выходные сигналы (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Структурная схема синтезатора частоты

Опорный генератор вырабатывает основную частоту f ₀ , которая поступает на блок опорных частот. Блок опорных частот формирует из сигнала опорного генератора несколько (ряд) сигналов с фиксированными частотами f ₁ … f _n за счет применения делителей и умножителей частоты. Эти частоты одновременно поступают на блок синтеза частот.

Блок синтеза вырабатывает на выходе сигнал с требуемым значением частоты (набор частот с заданной дискретностью в заданном диапазоне). Основным элементом блока синтеза является частотная декада, состоящая из узлов, выполняющих сложение или вычитание опорных частот, и фильтров с фиксированной и переменной частотой настройки. Частотная декада преобразует одну из опорных частот в несколько частот в пределах одного десятичного разряда.

Выходные сигналы заданной частоты образуются при включении нужной последовательности частотных декад. На рисунке 2 упрощенная структурная схема формирования сетки частот.

На рисунке 2 приведена упрощенная схема формирования сетки частот ВЧ генератора, в котором синтез выходных частот производится по методу прямого синтеза. При этом благодаря высокому качеству применяемых элементов схем погрешность каждой выходной частоты и его стабильность мало отличаются от погрешности и стабильности опорного генератора.

Опорный генератор с кварцевой стабилизацией 1 вырабатывает частоту 1 МГц. Поступая на входы блоков 2, 3, 4 эта частота соответственно умножается на 3, делится на 5 и умножается на 2 и т.д.

Рисунок 2 – Схема формирования сетки частот синтезатора

Генератор широкого диапазона частот

Генератор измерительный ГИ – 2,1 – 1 (генератор широкого диапазона частот) является источником гармонических сигналов. Он обладает возможностью программного управления частотой, уровнем выходного сигнала и вывода информации на внешнее регистрирующее устройство через канал общего пользования (КОП).

Рабочий диапазон частот генератора 10 — 2100 кГц. Пределы изменения уровня выходного сигнала от 0 дБ до минус 79,9 дБ.

Генератор по принципу действия относится к устройствам с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты, т. е. все выходные частоты являются производными одной опорной частоты, стабилизированной кварцем.

Обобщенная структурная схема генератора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема генератора широкого диапазона

частот ГИ – 2,1 – 1

Синтезатор частоты вырабатывает сигнал в диапазоне 5,01 – 7,1 МГц. Данный сигнал подается в выходное устройство. В выходном устройстве производится формирование выходного сигнала в частотном диапазоне 10 – 2100 кГц с уровнем, программируемым в пределах от 0 до –79,9 дБ. Преобразователь частоты имеет фиксированную частоту 5 МГц. При смешивании этих двух частот на выходе преобразователя частоты образуется сигнал в диапазоне частот 10 – 2100 кГц.

В выходном усилителе происходит усиление сигнала до необходимого уровня. Установка нужного выходного уровня от 0 до – 79,9 дБ производится с помощью последовательно соединенных программируемых аттенюаторов, которые выполнены на основе реле.

Для улучшения стабильности работы используется автоматическая регулировка усиления (АРУ).

Генератор имеет два выхода:

-несимметричный с сопротивлением 75 Ом;

-симметричный с сопротивлением 150 Ом.

Клавиатура генератора предназначена для ручной установки режимов и параметров выходного сигнала генератора, а дисплей предназначен для индикации режимов и параметров сигнала. С помощью клавиатуры возможно управление частотой и уровнем выходного сигнала.

Микропроцессор предназначен для контроля частоты синтезатора выходного уровня генератора, индикации параметров сигнала генератора, обслуживания клавиатуры и дисплея и программной реализации части функций КОП.

Интерфейс предназначен для подключения генератора к другим измерительным приборам через магистраль КОП.

1601 — Генератор импульсных сигналов см. в конспекте, а также начало темы «Электронный осциллограф»