21. Прямые аналоговые методы синтеза частот

Под синтезом частоты выходного сигнала СЧ понимается преоб­разование колебаний стабильной частоты с помощью простейших арифметических операций умножения, деления и суммирования ча­стоты. Комбинируя действия умножения в m раз и деления в n раз (n и m - целые числа), сложения и вычитания, можно получить ком­бинационные колебания с частотами вида , , , и другие более сложные сочетания.

Если считать m_i и n_i строго постоянными числами, то относитель­ная нестабильность рабочей частоты СЧ при прямом синтезе сохранена равной нестабильности частот ЭГ. Однако на прак­тике все перечисленные математические операции реализуются не­точно.

Р ассмотрим простейший пример - прямой синтез сетки опорных частот из колебания ЭГ при помощи умножителя частоты высокого порядка (рис. 1).

Специальный нелинейный преобразователь - генера­тор гармоник (ГГ) — формирует из синусоидального колебания ЭГ u_эт(t) эталонную последовательность коротких импульсов u_ГГ(t) (рис. 2, а).

Если длительность импульсов , то их спектр, показанный на рис. 2, б, богат гармониками. С помощью селектора гармоник (СГ), содер­жащего узкополосный перестраиваемый фильтр, можно выделить из дискретно­го спектра необходимую гармонику с частотой . Основная погрешность в умножителях частоты высокого порядка возникает из-за того, что напряжение на выходе СГ создается не только током выбранной гармоники, но и токами ряда соседних гармоник, попадающих в полосу пропускания СГ. Это проявляется в пульсации с периодом огибающей выходного колебания СГ (рис. 2, а).

П ри перестройке СГ в широком диапазоне с одной выбранной гар­моники на другую трудно получить узкую полосу пропускания. Для решения этой задачи получили распространение две схемы: двойного преобразования частоты («схема с вычитанием ошибки») и синхрони­зации частоты АГ системой ФАП; выбор гармоники осуществляется простейшим фильтром СГ после генератора гармоник (ГГ) или пере­стройкой подстраиваемого АГ.

В селекторе гармоник с двукратным преобразованием частоты (рис. 3) в смесителе CM₁ частоты всех составляющих спектра ГГ понижаются на частоту вспомогательного гетеродина Г. Подбором выбранная частота совмещается с центральной частотой узкополосного неперестраиваемого фильтра ФУ (например, кварцевого). На выходе смеси­теля СМ₂ сигнал с суммарной частотой перестраиваемый фильтром Ф отделяется от остальных комбинаций. Частота исключается, и восстанавливается первона­чальная гармоника . Соседние гармоники на выходе СМ₂ су­щественно ослаблены ФУ, поэтому требования к Ф значительно облег­чены. Медленные уходы частоты гетеродина не влияют на выходной сигнал и только определяют полосу ФУ.

С помощью единственной операции умножения невозможно полу­чить густую сетку большого объема. Один из простейших методов пря­мого синтеза состоит в последовательном суммировании частот с за­данным шагом F_C. Их получают от группы из М умножителей, рабо­тающих от общего ЭГ с частотой (рис. 4). Пусть каждая из опорных частот , получаемых от датчиков опорных частот ДОЧ₁, ДОЧ₂, .... ДОЧ_M, построенных по схеме на рис. 1, может принимать l значений. После смесителя CM₁ (рис. 4) и филь­тра Ф₁, используя только суммарные комбинации первого порядка, имеем l² частот, после СМ₂ и фильтра Ф₂ получаем l³ частот и т. д. На выходе синтезатора частота f_P может принимать l^M значений. Если принять l = 9, а опорные частоты f_n = 10^n-1f_t, где n - 2, 3, ,.., М, то значения f_P заполнят множество из 9^M частот, расположенных в де­сятичной системе записи, т. е. такой синтезатор может служить в ка­честве декадного СЧ, который весьма удобен на практике.

Однако описанную схему применять невыгодно, так как перестраи­ваемые фильтры Ф₁, ..., Ф_M получаются все разными и работают в очень тяжелых условиях — в широком диапазоне частот и с очень узкой по­лосой, определяемой шагом десятичной сетки, т. е. минимальным зна­чением частоты .

Декадные СЧ можно строить на различных принципах, одна­ко в них всегда стремятся реализовать идентичные декады, что су­щественно упрощает конструкцию СЧ. Такие идентичные декады можно применить, если, используя уже рассмотренную схему на рис. 4, включить на выходе каждого из идентичных перестраивае­мых фильтров Ф₁, ...,Ф_М-1 делитель частоты на 10. При этом все ДОЧ также получаются идентичными и вырабатывают по 10 одинако­вых опорных частот, выбираемых 10-позиционным переключателем (например, f_ОЧ = 90, 100, 110, ..., 180 кГц при = 10 кГц, а декаду частот ДОЧ₁ нужно сместить на один шаг вверх, т. е. взять в нем f_ОЧ = 100, 110, ..., 190 кГц и включить на выходе ДОЧ₁ делитель ча­стоты на 10). В таком СЧ при М = 3 частота на выходе f_P принимает значения от 100 кГц до 199,9 кГц с шагом F_C = 100 Гц.

Все методы основанные на прямом синтезе требуют применения пере­страиваемых фильтров и отличаются сложностью реализации сетки большого объема с мелким шагом.