Синтезатор частоты косвенного синтеза диапазона свч Часть і

I. Основные принципы построения генераторов с фазовой автоподстройкой частоты (фапч)

I.1 Функциональная схема и принцип работы синтезатора на основе петли с фазовой автоподстройкой частоты.

Метод синтеза частоты с использованием петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является наиболее распространенным методом получения стабильных высокочастотных колебаний в современной технике.

Как видно из упрощенной схемы синтезатора этого типа, изображенной на рис.1, система ФАПЧ содержит генератор с электрической перестройкой частоты – генератор, управляемый напряжением (ГУН), с выхода которого часть мощности подается на один из входов фазового детектора (ФД); на второй вход подается напряжение от высокостабильного опорного генератора (ОГ). С выхода фазового детектора управляющее напряжение, зависящее от разности фаз ГУН и ОГ, пройдя через фильтр низкой частоты (ФНЧ), подается на вход управления частотой ГУН. Таким образом, синтезатор с петлей ФАПЧ в установившемся режиме представляет собой систему с отрицательной обратной связью по напряжению, пропорциональному разности фаз между напряжениями ГУН и ОГ. Это напряжение и является сигналом ошибки в петле ФАПЧ.

Рис.1

Рассмотрим работу петли ФАПЧ качественно. Пусть после включения петли частоты ГУН и ОГ не совпадают. Тогда на выходе фазового детектора, являющегося перемножителем, возникает сигнал вида

который, пройдя через ФНЧ, представляет собой колебание с частотой . Важно, что в приведенных формулах не является величиной постоянной, поскольку частота ГУН непрерывно управляется напряжением с выхода ФНЧ – под воздействием управляющего напряжения частота ГУН увеличивается (или уменьшается в зависимости от включения управляющего частотой элемента ГУН) в положительные полупериоды напряжения со средней частотой и уменьшается (или, соответственно, увеличивается) в отрицательные полупериоды. В связи с этим управляющее напряжение в замкнутой петле перестает быть гармоническим (рис.2) и приобретает явно выраженную постоянную составляющую, подтягивающую среднюю частоту генерации ГУН, к частоте ОГ. Так происходит захват частотой ГУН частоты ОГ. В режиме захвата частоты ГУН и ОГ абсолютно совпадают, а петля ФАПЧ непрерывно отслеживает разность фаз ГУН и ОГ, стремясь её минимизировать.

Рис.2

В диапазоне СВЧ (на частотах свыше примерно 1 ГГц) схема, изображенная на рис.1 не применяется, поскольку фактически требует использования дорогостоящего высокостабильного ОГ с высокой частотой генерации. Кроме того, как правило, требуется иметь возможность изменения частоты ГУН в некоторых пределах, что невозможно реализовать в рамках простейшего синтезатора рассмотренного вида. Задача повышения рабочей частоты синтезатора и перестройки его частоты решается путем введения в тракт ГУН и ОГ двух делителей частоты с коэффициентами деления N и R, соответственно (рис.3). Как видно, из рис.3, фазовый детектор сравнивает напряжения с частотами и , которые при захвате ГУН должны быть одинаковыми, так что .

Рис. 3

Таким образом, используя весьма низкочастотный (обычно в пределах 100МГц) и дешевый генератор опорного напряжения, можем получить (при ) частоту выходного колебания ГУН порядка 10 ГГц уже при - величине, легко реализуемой при сегодняшнем уровне технологии цифровых схем делителей частоты.

Синтезатор, выполненный по схеме на рис.3, легко может быть выполненным с перестройкой частоты, для чего параметр (коэффициент деления делителя частоты ГУН) должен быть выполнен по схеме делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД), что также является несложной задачей с точки зрения цифровой техники. Действительно, предположим, что мы изменили коэффициент деления ДПКД на 1. Тогда частота ГУН изменится с тем, чтобы по-прежнему, в режиме захвата было выполнено

Из приведенных формул сразу получаем:

Таким образом, минимальный шаг перестройки частоты ГУН равен величине , называемой частотой сравнения - термин, происхождение которого очевидно из рассмотрения рис.3. Здесь необходимо отметить, что простота получения сколь угодно малого шага перестройки ГУН путем снижения величины является кажущейся. Во-первых, перекрытие необходимого диапазона частот ГУН может потребовать чрезмерно большого и нереализуемого значения . Кроме того, значительное увеличение коэффициента деления приводит к сильному уменьшению величины мгновенной ошибки фазы ГУН на выходе делителя, в результате чего величина выходного напряжения фазового детектора становится сравнимой с его собственными шумами. Как следствие, уровень шума выходного колебания ГУН с петлей ФАПЧ значительно возрастает (см. раздел II руководства к данной лабораторной работе). В современных синтезаторах совмещение требований к малому шагу перестройки частоты и приемлемому уровню фазового шума ГУН достигается с помощью дробных делителей частоты.

Рассмотрим особенности построения элементов синтезатора.