Лекция 23 (лекции по УГФС), страница 4

Одна из возможных структурных схем цифрового синтезатора частот, работающего по методу анализа, представлена на рис.23.15.

Сигнал стабильной частоты f_ОГ с опорного генератора (ОГ) поступает на делитель частоты с постоянным коэффициентом деления К₁. Сигнал АГ выходной частоты f_АГ поступает на управляемый внешним сигналом делитель с переменным коэффициентом деления частоты (ДПКД) К_Д. В импульсно-фазовом детекторе (ИФД) происходит сравнение частот с выходов делителей частоты и с помощью ФАП обеспечивается их равенство (при расхождении частот появляется сигнал ошибки, который поступает через фильтр нижних частот (ФНЧ) и управляющий элемент (УЭ) на АГ и приводит его частоту к нужному значению). Следовательно, в схеме обеспечивается равенство частот

Соответственно рабочая частота на выходе синтезатора

Так как коэффициенты деления частоты К₁ и К_Д являются целыми числами, при этом К_Д ДПКД может изменяться дискретно на 1, то получаемый шаг сетки частот в схеме равен

При высокой частоте f_АГ, на которую нет соответствующей микросхемы, позволяющей реализовать ДПКД, синтезатор может быть построен по схеме рис.23.16.

В схеме (рис.23.16) частота f_АГ предварительно понижается с помощью делителя частоты с постоянным коэффициентом деления К до значения рабочей частоты ДПКД. Далее всё как в схеме рис.23.15. Соответственно частота выходных колебаний оказывается равной

Шаг получаемой сетки частот

Синтезаторы частот на основе квантовых стандартов частоты

Во многих специальных системах, например, системах синхронного вещания, ряде систем космической связи требуемая стабильность частоты рабочих колебаний выше, чем может быть получена в рассмотренных схемах синтезаторов частот с использованием кварцевой стабилизации частоты. В рассмотренных схемах синтезаторов стабильность частоты выходных колебаний не может быть получена выше стабильности частоты КАГ опорного генератора.

Более высокая стабильность частоты обеспечивается в синтезаторах с использованием в качестве опорного генератора квантового стандарта частоты. Современные квантовые стандарты частоты (КС) обладают предельно малой нестабильностью частоты – порядка 10^-10…10^-12, поэтому их применение в качестве опорных эталонных генераторов в синтезаторах частоты чрезвычайно перспективно. Строятся такие синтезаторы с использованием некоторых рассмотренных ранее принципов.

Выходная мощность КС обычно не превышает 10^-10 Вт, а частота колебаний около 10 и выше ГГц.¹¹ Для использования колебаний КС в диапазоне единиц – сотен МГц нужны устройства, преобразующие частоту КС в более низкую без потери стабильности, но с увеличением мощности колебаний. Поэтому синтезаторы частоты с использованием КС называют схемами переноса стабильности частоты КС.

Н
а рис.23.17 представлена схема с вычитанием ошибки, а на рис.23.18 – схема
с ФАП.

В схеме переноса с вычитанием ошибки (рис.23.17) частота КАГ f_КВ умножается в n раз и смешивается с эталонной частотой f_КС в смесителе СМ1. На выходе СМ1 выделяется слабый сигнал промежуточной частоты ( f_КС – nf_КВ), который усиливается многокаскадным усилителем и поступает на вход делителя частоты в n раз. С выхода делителя частоты сигнал достаточной мощности с частотой ( f_КС /n – f_КВ) поступает на второй смеситель СМ2, на который также поступает сигнал от КАГ с частотой f_КВ. На выходе СМ2 с помощью фильтра выделяется сигнал суммарной частоты, равной ( f_КС /n – f_КВ) + f_КВ = f_КС /n. В выходном сигнале нестабильность частоты КАГ исключается. Соответственно стабильность частоты выходных колебаний определяется стабильностью частоты КС.

В схеме переноса с ФАП (рис.23.18), как и в схеме с вычитанием ошибки, частота КАГ f_КВ умножается в n раз и смешивается с эталонной частотой f_КС в смесителе (СМ). Как и в схеме с вычитанием ошибки, слабый сигнал промежуточной частоты ( f_КС – nf_КВ) с выхода СМ усиливается многокаскадным усилителем и поступает на фазовый детектор ФД, на который также поступает сигнал от КАГ. Выходное напряжение ФД через фильтр нижних частот ФНЧ и управляющий элемент УЭ изменяет частоту КАГ так, что она становится равной f_КС /(n+1). Система ФАП устраняет собственные уходы частоты КАГ, поддерживая всё время f_КВ = f_КС /(n+1).

Обе рассмотренные схемы получения колебаний с высокой стабильностью частоты, определяемой квантовым стандартом (КС), считаются примерно равноценными.

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 23:

1. Назовите основные технические характеристики диапазонных возбудителей. Поясните их.

2. Поясните интерполяционный метод формирования сетки частот. Чему равна нестабильность частоты
рабочих колебаний?

3. Поясните метод многократного гетеродинирования образования множества частот. Приведите структур-
ные схемы, поясняющие метод.

4. Поясните принцип компенсационной схемы диапазонного возбудителя. Какие Вы видите у неё
достоинства и недостатки?

5. Поясните принцип возбудителя с АПЧ. Приведите структурные схемы возбудителей с ЧАП и ФАП. Дай-
те сравнение схем, укажите достоинства и недостатки. Поясните особенности применения на СВЧ.

6. Поясните работу декадного синтезатора частот, работающего по методу частотного анализа. Что
представляет сумматор в обсуждаемой схеме?

7. Поясните структурную схему и формирование сетки частот в декадном синтезаторе частот с использова-
нием идентичных декад. Какие у схемы достоинства и недостатки?

8. Поясните структурную схему цифрового синтезатора частот. Чем определяется шаг сетки частот в схеме?

9. Поясните возможные структурные схемы формирования сигнала стабильной частоты с использованием
КС. Какие особенности у КС и синтезаторов с их использованием?

10. В каких схемах синтезаторов возможно осуществление ЧМ? Поясните.

1 Например, связные коротковолновые радиопередатчики имеют, как минимум, три рабочие частоты: дневную, ночную и запасную.

2 Выше мы отмечали, что при отсутствии формирователя вида (рода) работ и тракта переноса частот диапазонный возбудитель – он же синтезатор частот. Поэтому ниже эти понятия будут использоваться как тождественные.

3 От английского слова interpolation (вставка). В данной схеме между максимальной и минимальной частотами диапазона «вставляется» некоторое число (сетка) рабочих частот.

4 Физический смысл имеют только положительные частоты.

5 Частично будут обсуждены в лекции 28 при рассмотрении однополосной модуляции (ОМ).

6 Очевидно, в общем случае число высокочастотных и число низкочастотных КвР не обязано быть чётным.

7 Если осуществление ЧМ не требуется, то при достаточно малом шаге сетки частот различие между дискретным и плавным (непрерывным) перекрытием диапазона оказывается несущественным.

8 Аналогичная ситуация будет иметь место в интерполяционной схеме возбудителя при f_КВ >> F_КВ.

9 Очевидно, если изменится f_ЧД, то произойдёт изменение f, а это ненужно. Существуют схемы ЧД (например, ЧД нулевых биений), которые свободны от указанных выше недостатков. Однако они сложны, что ограничивает их применение.

10 Переключатели на 10 положений.

11 Например, цезиевый стандарт работает на частоте 9,192632 ГГц (λ ≈ 3,26 см), а молекулярный генератор на пучке молекул аммиака генерирует колебания с частотой 23,870130 ГГц (λ ≈ 1,25 см). Речь идёт о стандартах частоты – лазерах с очень узкой шириной спектральной линии. Технологические лазеры имеют большую мощность и большую ширину спектральной линии, соответственно низкую стабильность частоты.

389