Цифровые синтезаторы частот

Широкое применение в различных областях радиотехники находят цифровые способы обработки сигналов. Соответственно лет 20 – 25 тому назад стали применяться так называемые цифровые синтезаторы частот. Существуют разные принципы формирования частот с использованием цифровых методов. Соответственно им цифровые синтезаторы могут быть построены по методу прямого синтеза или по методу анализа частот. Более широкое применение получили синтезаторы, работающие по методу анализа частот («непрямые синтезаторы»), позволяющие максимально использовать элементы цифровой схемотехники. Обычно их и называютцифровыми синтезаторами частот. По сравнению с другими типами синтезаторовцифровые синтезаторы частотимеют значительные преимущества по габаритным размерам, технологичности и надёжности.

По своей идее формирования стабильных частот цифровые синтезаторы подобны нецифровым. Вцифровых синтезаторах частотиспользуются импульсно-фазовые детекторы и делители частоты на специальных импульсных микросхемах, позволяющих реализовать делители частоты с большим как постоянным, так и переменным коэффициентом деления. Рассмотренные ранеедекадные синтезаторы частот, в которых также используются импульсно-фазовые детекторы, можно считать прообразомцифровых синтезаторов частот.

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

Сигнал стабильной частоты f_ОГс опорного генератора (ОГ) поступает на делитель частоты с постоянным коэффициентом деления К₁. Сигнал АГ выходной частотыf_АГпоступает 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 К₁и К_Дявляются целыми числами, при этом К_ДДПКД 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_АГпредварительно 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^-10Вт, а частота колебаний около 10 и выше ГГц.¹¹Для 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 называютсхемами переноса стабильности частоты КС.

На рис.23.17 представлена схемас вычитанием ошибки, а на рис.23.18 – схемасФАП.

В схеме переноса с вычитанием ошибки (рис.23.17) частота КАГ f_КВумножается вnраз и смешивается с эталонной частотойf_КСв смесителе СМ1. На выходе СМ1 выделяется слабый сигнал промежуточной частоты (f_КС–nf_КВ), который усиливается многокаскадным усилителем и поступает на вход делителя частоты вnраз. 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 частотойf_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_КВумножается вnраз и смешивается с эталонной частотойf_КСв 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 равнойf_КС/(n+1). Система ФАП устраняет собственные уходы частоты КАГ, поддерживая всё времяf_КВ=f_КС/(n+1).

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