43. Гетеродины с кварцевой стабилизацией частоты.

Значительное повышение стабильности частоты гетеродина может быть достигнуто использованием в них кварцевых резонаторов (или, сокращенно, кварцев), которые представляют собой тонкие пластинки из натурального или синтетического кварца определенной толщины и площади. Две противоположные поверхности пластинок покрыты тонким слоем серебра. К этим посеребренным поверхностям припаяны два вывода, являющиеся электродами кварцевого резонатора. Характерной особенностью кварцевого резонатора является то, что он ведет себя как последовательный резонансный контур с добротностью, исчисляемой десятками и сотнями тысяч. Частота резонанса этого контура зависит только от толщины кварцевой пластинки. Нестабильность частоты последовательного резонанса составляет не более нескольких тысячных долей процента.

 

Известно большое число гетеродинов со стабилизацией кварцами, как простых, так и сложных. В последние годы находят широкое применение подобные гетеродины, не содержащие катушек индуктивности. На рис. 57 приведена простейшая схема гетеродина на одном транзисторе (Т1) где кварцевый резонатор ПЭ1 включен между коллектором и базой транзистора. Фазовый сдвиг в цепи положительной обратной связи корректируется при помощи конденсатора С1, емкость которого для получения неискаженных колебаний подбирают. Колебания снимаются с эмиттера транзистора.

Недостаток гетеродина, выполненного по схеме рис. 57, состоит в том, что емкость конденсатора С1 зависит от конкретного образца кварцевого резонатора. Это усложняет конструкции многоканальных гетеродинов, предназначенных для работы с рядом кварцевых резонаторов различной частоты.

Значительно проще гетеродин, показанный на схеме рис. 58, в котором кварц ПЭ1 включен между эмиттерами двух транзисторов, соединенных последовательно по схеме «общий эмиттер — общий коллектор». Такое включение транзисторов позволяет обойтись без корректирующего конденсатора и тем самым обеспечить устойчивую работу гетеродина при смене кварцев. Гетеродин нормально работает при напряжении питания всего 3 В, потребляет ток около 3 мА и обеспечивает эффективное значение выходного напряжения 1 В.

В том случае, когда гетеродин должен работать только с одним кварцевым резонатором, можно применить гетеродин, изображенный на рис. 57, применив в нем транзистор типа КТ312 или КТ315 с любым буквенным индексом. Наилучшие результаты с этим гетеродином получаются при генерировании колебаний с частотой от 1 до 10 МГц. Возможности гетеродина, показанного на схеме рис. 58, значительно шире.

44. Цифровые синтезаторы частоты

Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты.

Рисунок 2. Структурная схема цифрового синтезатора частот

В структурной схеме, приведенной на рисунке 2, использован делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Изменяя коэффициент деления N делителя ДПКД, можно перестраивать выходную частоту генератора. В этой схеме в качестве фазового детектора может быть применен как цифровой фазовый детектор, так и фазовый компаратор. Применение фазового компаратора позволяет расширить частотный диапазон захвата петли фазовой автоматической подстройки частоты синтезатора частот.

В отличие от традиционных (аналоговых) решений, цифровые синтезаторы используют цифровую обработку для получения требуемой формы выходного сигнала из базового (тактового) сигнала. Сначала с помощью фазового аккумулятора создается цифровое представление сигнала, а затем генерируется и сам выходной сигнал (синусоидальной или любой другой желаемой формы) посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).Скорость генерации цифрового сигнала ограничена цифровым интерфейсом, но весьма высока и сопоставима с аналоговыми схемами. Цифровые синтезаторы также обеспечивают довольно малый уровень фазовых шумов. Однако основным достоинством цифрового синтезатора является исключительно высокое разрешение по частоте (ниже 1 Гц), определяемое длиной фазового аккумулятора. Главные недостатки – ограниченный частотный диапазон и большие искажения сигнала. В то время как нижняя граница рабочего диапазона частот цифрового синтезатора находится близко к нулю герц, его верхняя граница, в соответствии с теоремой Котельникова, не может превышать половины тактовой частоты. Кроме того, реконструкция выходного сигнала невозможна без фильтра нижних частот, ограничивающего диапазон выходного сигнала приблизительно до 40% тактовой частоты.

Другая серьезная проблема – высокое содержание нежелательных спектральных составляющих из-за ошибок преобразования в ЦАП. С этой точки зрения цифровой синтезатор ведет себя как частотный смеситель, генерирующий побочные составляющие на комбинационных частотах. В то время как частотное местоположение этих составляющих можно легко вычислить, их амплитуда гораздо менее предсказуема. Как правило, искажения более низкого порядка имеют наиболее высокую амплитуду. Тем не менее, искажения высокого порядка также приходится учитывать при разработке архитектуры конкретного синтезатора. Амплитуда паразитных спектральных составляющих увеличивается и с увеличением тактовой частоты, что также ограничивает диапазон генерируемых частот. Практические значения верхней границы диапазона находятся в районе от нескольких десятков до нескольких сотен мегагерц при уровне дискретных спектральных продуктов -50…-60 дБн. Очевидно, прямое умножение выходного сигнала частотного синтезатора невозможно из-за дальнейшей деградации спектрального состава.

Таким образом, из-за ограниченного диапазона частот и высокого содержания нежелательных спектральных продуктов цифровые синтезаторы редко используются для непосредственного генерирования СВЧ сигнала. В то же время их широко применяют в более сложных аналоговых и ФАПЧ системах, чтобы обеспечить высокое разрешение по частоте.