7.4.5. Синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты

Структурная схема простейшей системы активного аналогового синтеза с ФАПЧ представлена на рис. 7.20.

Рис. 7.20. Синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты

Источником выходных колебаний в схеме является генератор G, плавно перестраиваемый с помощью реактивного элемента, включенного в его колебательную систему. В качестве РЭ обычно используется варикап, управляемый напряжением, подаваемым на него с выхода фазового дискриминатора через ФНЧ и усилитель постоянного тока (УПТ). Совокупность генератора и РЭ образует генератор, управляемый напряжением (ГУН). В ФД происходит сравнение фазы колебаний, поступающих с выхода эталонного генератора (ЭГ) и имеющих частоту f_Э, с фазой колебаний ГУН, прошедших через ДПКД. Эталонный генератор обычно выполняется в виде каскадного соединения опорного кварцевого генератора (ОКГ) и делителя с некоторым фиксированным коэффициентом деления N_Ф, так что f_Э= f_ОКГ/N_Ф. При моногармоническом эталонном сигнале в рассматриваемом синтезаторе возможен стационарный синхронный режим, при котором между колебаниями на входах ФД устанавливается постоянная разность фаз, а их частоты оказываются равными, т. е.

f_ГУН/N_д = f_Э, (7.23)

где f_ГУН – частота сигнала на выходе синтезатора; N – текущее значение коэффициента деления ДКПД. Представив соотношение (7.23) в виде f_ГУН = Nf_Э, нетрудно заметить, что подобный синтезатор является умножителем частоты f_Э, а изменяя N, можно получать дискретные значения f_ГУН с шагом f_ш=f_Э=f_ОКГ/N_Ф. Из последней формулы нетрудно видеть, что наличие в составе схемы ЭГ делителя с фиксированным коэффициентом деления N_ф позволит получить достаточно мелкий шаг f_ш при приемлемых значениях f_ОКГ.

Анализ показывает что, в выходном сигнале синтезатора с кольцом ФАПЧ в режиме синхронизации наиболее эффективно подавляются побочные составляющие, возникающие в ГУН, частоты которых близки к требуемому значению синтезируемой частоты f_вых, а удаленные от нее могут проходить на выход. Зато вблизи f_вых появляются спектральные составляющие, обусловленные нестабильностью частоты сигнала, поступающего с эталонного генератора. С помощью коррекции частотных характеристик кольца ФАПЧ можно получить требуемое подавление побочных составляющих во всей области частот в окрестности f_вых. Таким образом, в рассматриваемой схеме при правильном подборе параметров ФНЧ и УПТ стабильность частоты выходного сигнала и его спектральные характеристики определяются ЭГ.

Помимо подавления побочных составляющих, ФНЧ и УПТ должны обеспечить устойчивость ССЧ. Ширина полосы удержания, в пределах которой автоматически сохраняется условие синхронизма при отстройке ГУН, определяется максимальным изменением частоты ГУН под воздействием управляющего напряжения. Полоса захвата не превышает полосу удержания и в значительной степени определяется характеристиками ФНЧ.

Основной трудностью при реализации рассмотренной схемы аналогового ССЧ с ФАПЧ является построение ДПКД, обеспечивающего большое число возможных коэффициентов деления. Поэтому одним из наиболее распространенных методов построения активных аналоговых ССЧ следует считать метод, основанный на использовании общего для всего устройства кольца ФАПЧ. Возможная структурная схема такого синтезатора может быть получена из схемы на рис. 7.18 заменой кольца компенсации кольцом фазовой автоподстройки.

Отличительной особенностью цифрового синтезатора с ФАПЧ является замена аналоговых ФД и ДПКД соответственно на импульсно-фазовый дискриминатор (ИФД) и цифровой ДПКД. При этом между эталонным генератором и ИФД, а также между выходом ГУН и входом ДПКД необходимо включить формирователи импульсов (ФИ), преобразующие гармонические сигналы в последовательность импульсов той же частоты.

По сравнению с рассмотренным аналоговым ССЧ активный цифровой синтезатор обладает следующим достоинствами:

• в схеме, в основном, используются стандартные элементы цифровой техники, что открывает возможности миниатюризации; из аналоговых элементов – один неперестраиваемый ФНЧ и один перестраиваемый генератор.

• просто достигается получение большого числа значений выходной частоты ССЧ: современные цифровые ДКПД обеспечивают коэффициенты деления, изменяющиеся от нескольких десятков до десятков тысяч;

• нетрудно также уменьшить шаг сетки частот: достаточно увеличить коэффициент деления делителя с фиксированным коэффициентом деления, который, как и ДКПД, выполняется цифровым, и уменьшить частоту сравнения.

Вместе с тем, схема обладает и некоторыми недостатками:

• верхняя граница диапазона используемых частот ограничена быстродействием ДКПД;

• из-за конечности и нестабильности длительностей фронтов выходных сигналов ФИ и триггеров ДКПД фаза фронта выходного импульса непрерывно меняется, что эквивалентно внесению дополнительного фазового шума в кольцо ФАПЧ.

Несмотря на указанные недостатки, активные ССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ находят широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре, поскольку позволяют обеспечить при малых габаритах устройства хорошие спектральные характеристики выходного сигнала. Малые габариты достигаются за счет применения специальных микросхем, выпускаемых промышленностью. В них входят все цифровые элементы ССЧ, а также ОКГ (за исключением кварцевого резонатора, который является навесным). Максимальные рабочие частоты ССЧ на основе таких микросхем достигают сотен мегагерц.