Sb95258

Переключатель «ЗАДЕРЖКА» должен находиться в положении 0, генератор шума – быть выключен.

3. Исследовать нестабильность частоты колебаний кварцевого АГ. Эксперимент проводится для схемы с кварцевым резонатором в цепи обратной связи (переключатель «ТИП СХЕМЫ» в положении 3), генератор шума включен «ШУМ ВКЛ.».

Изменяя управляющее напряжение на варикапе, настроить контур АГ на частоту последовательного резонанса КвР. Момент настройки соответствует максимальной амплитуде коллекторного напряжения на экране осциллографа.

Установить на дисплее ЖКИ режим измерения частоты колебаний и снять зависимость кратковременной и средневременной нестабильностей частоты колебаний АГ от времени усреднения (накопления) Tн (устанавливается соответствующей кнопкой под ЖКИ). Снять зависимость fср f . Время усреднения изменять в пределах от 0.001 до 10 с. Для ка-

ждого значения снять не менее 10 отсчетов. Для получения каждого нового отсчета частоты при выбранном необходимо каждый раз перезапускать частотомер. Воспользовавшись соотношением (1.7) и учтя, что f 2 , рассчитать и построить в логарифмическом масштабе график fср f .

4. Исследовать нестабильность частоты бескварцевого АГ. Включить схему 4, потенциометром Eупр установить частоту генерации f 2000 кГц и по-

вторить эксперименты по п. 3 для случаев максимального и минимального (ключи S7 и S8 включены) Rэ.к .

5. Исследовать влияние узкополосной помехи на нестабильность частоты бескварцевого АГ. Включить схему 4, выключить генератор шума, выбрать частоту модулирующего сигнала Fмод = 40 Гц и установить амплитуду модулирующего напряжения, обеспечивающее девиацию частоты 5 кГц. Повторить эксперименты по п. 4 при Rэ.к = Rэ.к max .

6. Повторить эксперименты по п. 5 при Fмод = 200 Гц.

7. Исследовать зависимость частоты генерации от температуры. Первоначально, включив схему АГ с КвР в цепи обратной связи, настройкой колебательной системы установить максимальное значение напряжения на контуре. Далее, не изменяя Eупр, снять зависимость частоты генерации от тем-

11

пературы транзистора в автогенераторах, выполненных по схемам 3 и 4. Для этого включить нагрев транзистора нажатием кнопки «НАГРЕВ VT» и дове-

сти температуру транзистора до 60 С . Выключить нагрев и, начиная с тем-

пературы 55 С , через каждые 5 С снимать текущие показания температуры транзистора и частоты генерации поочередно для обеих схем АГ. Полученные данные свести в таблицу и построить графики.

После (10…15)-минутного остывания лабораторного стенда аналогичным образом исследовать зависимость частоты генерации от температуры КвР для схемы с резонатором в цепи обратной связи (схема 3).

Содержание отчета

1.Упрощенные схемы исследуемых автогенераторов.

2.Таблицы с экспериментальными и расчетными данными и построенные по ним графики.

3.Краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Почему сигнал на выходе АГ нельзя считать моногармоническим?

2. Какими статистическими характеристиками описываются мгновенная и усредненная частоты?

3. Чем вызвана необходимость введения понятий кратковременной и долговременной нестабильностей частоты?

4. Объясните физический смысл фильтрующих множителей в выражении для дисперсии усредненной частоты.

5. Как и почему должны быть связаны между собой время наблюдения и время усреднения?

6. Объясните ход графиков по пп. 3–6.

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНЫХ ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТЫ

Основные теоретические сведения

Синтезатор сетки частот (ССЧ) представляет собой устройство для получения одного или нескольких колебаний с заданным набором номинальных значений их частот, когерентных эталонному колебанию, создаваемому

12

опорным кварцевым генератором (ОКГ), что позволяет приблизить стабильность каждой из частот формируемой сетки к стабильности частоты ОКГ.

В настоящее время наиболее широкое применение находят цифровые ССЧ, позволяющие в полной мере реализовать преимущества современной цифровой элементной базы в части уменьшения массы и габаритов устройств, повышения их надежности и технологичности [3], [4].

ССЧ, в которых селекцию синтезируемых частот осуществляют пассивные фильтры, не содержащие автогенераторов, называют синтезаторами прямого (пассивного) синтеза [1], [3], [4].

СЧРУ

Рис. 2.1

Одна из простейших схем цифрового синтеза (схема двухуровневого синтезатора) представлена на рис. 2.1. Принцип ее работы заключается в следующем. В формирователе импульсов ФИ из гармонических колебаний ОКГ формируется периодическая последовательность коротких импульсов с частотой следования f0 1 T0 , поступающая затем на вход делителя с переменным коэффициентом деления ДПКД. Коэффициент деления ДПКД выбирается так, чтобы частота следования импульсов на выходе последнего была в два раза выше требуемой частоты сигнала на выходе синтезатора. Этот поток импульсов подается на вход триггера Т, создающего последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 2 и частотой следования, равной заданной. В перестраиваемом полосовом фильтре ПФ из этой импульсной последовательности выделяется синусоидальный сигнал с частотой первой гармоники. Изменяя коэффициент деления ДПКД и перестраивая ПФ, можно изменять частоту выходных колебаний.

Очевидно, что в общем случае при некоторых значениях f вых требуемый коэффициент деления ДПКД может оказаться нецелым числом. Счетчиковые делители, на базе которых создается ДПКД, не могут поделить частоту на нецелое число, поэтому в подобных случаях поступают следующим образом. Положим, что коэффициент деления ДПКД должен быть установлен рав-

13

ным ( Nд l/m ), где Nд , l, m – целые числа и m l , т. е. Nд – целая часть коэффициента деления, а l/m – его дробная часть (несократимая дробь). Для этого, например, в течение первых l циклов деления коэффициент деления ДПКД

При этом сигнал на выходе синтезатора будет иметь нужную частоту fср , но с некоторым колебанием фазы, изменяющейся по периодическому

закону. Следовательно, спектр выходного сигнала будет содержать побочные составляющие. C достаточной степенью точности можно считать, что уровень наибольших спектральных составляющих в выходном сигнале не будет превышать [1]

лять коэффициентом деления ДПКД можно с помощью счетно-решающего устройства СЧРУ, вычисляющего требуемое текущее значение коэффициента деления по алгоритму, описанному в [1]. Совокупность ДПКД и СЧРУ можно рассматривать как делитель с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД). В соответствии с соотношением (2.1) требуемую чистоту спектра выходных колебаний синтезатора можно реализовать только при больших коэффициентах деления (больших Tср ). При этом необходимо

i 1

ki = 0, 1, 2, …, 9; N – минимальный десятичный разряд в значении частоты)

14

Основной недостаток рассмотренных двухуровневых синтезаторов при малых Nд.ср связан с большой кратковременной нестабильностью частоты,

вызванной в общем случае неравномерностью частоты следования выходных импульсов. Попутно отметим, что tmax не зависит от коэффициента деления делителя, включенного на выходе ССЧ. Поэтому оценка уровня максимальной побочной составляющей в выходном сигнале ССЧ может быть выполнена с помощью осциллографа путем измерения отношения tmax Tвых.ср (см. (2.1)).

Еще один недостаток связан с тем, что при коэффициенте перекрытия диапазона частот kд >> 2 и высоких требованиях к фильтрации высших гармоник в выходном сигнале ССЧ существенно усложняется реализация выходного полосового фильтра.

Свободны от отмеченных недостатков цифровые синтезаторы прямого синтеза (DDS – direct digital synthesizer) с потоками многоуровневых импульсов. Они обеспечивают широкие возможности формирования сигналов различной формы с различными видами модуляции и манипуляции, имеют малое время перестройки с одной частоты на другую, а уменьшение шага сетки частот (а значит, и минимальной частоты рабочего диапазона) достигается в них без особых затруднений. Однако максимальные значения рабочих частот ограничены быстродействием цифровых узлов и, как правило, не превышают

300…400 МГц [1].

Рис. 2.3

Упрощенная структурная схема рассматриваемого ССЧ, в отечественной литературе обычно называемого цифровым вычислительным синтезатором (ЦВС) [3], представлена на рис. 2.3. В его состав входят частотный регистр ЧР и накопитель кода фазы НКФ, состоящий из n -разрядных бинарного сумматора и регистра данных, преобразователь кодов фазы в коды амплитуды ПК, обычно выполняемый на основе блока памяти кодов значений sin x , и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП.

16

Особенности работы ЦВС рассмотрим на примере синтезатора, предназначенного для формирования моногармонического сигнала.

С приходом каждого тактового импульса в сумматоре суммируются значения чисел, записанных в регистре данных и в частотном регистре, и сумма переписывается вновь в регистр данных. Таким образом, в накопителе формируется код текущей фазы мгновенного значения выходного колебания. Как только значение текущей фазы в накопителе превысит 2 , произойдет переполнение, в регистр данных запишется разность между последним значением текущей фазы и 2 , и процесс накопления фазы повторится.

В соответствии с кодом числа в накопителе преобразователь кодов вырабатывает код амплитуды выходного сигнала ЦВС, пропорциональной sin 2 i fвых f0 . При этом на выходе ЦАП появляется импульс постоянной длительности 1 f0 , имеющий амплитуду UЦАП sin 2 i fвых f0 .

Непрерывная последовательность выходных импульсов ЦАП представляет собой ступенчатую аппроксимацию синусоидального напряжения. Изменяя дискрет фазы, код которой записан в ЧР, можно изменять частоту выходного сигнала ЦВС.

В соответствии с теоремой Котельникова [2] частота тактовых импульсов должна быть по крайней мере в два раза выше максимальной частоты формируемых колебаний. Для облегчения фильтрации гармоник тактовой частоты f0 обычно выбирают из условия f0 4 fвых. max .

Форма выходного сигнала ЦВС близка к синусоидальной, если f0 fвых

( k 2n ), а k в целое число раз меньше 2n . В этом случае в конце каждого цикла накопления фазы нет остатка. Если k по значению сравнимо с 2n , форма выходного сигнала может существенно отличаться от требуемой гар-

монической. Если же k 2 p (p – целое число, меньшее n), период сформиро-

ванного колебания будет определяться наибольшим общим делителем 2r чи-

17

сел k и 2n и станет равным 2n r T0 . При этом в спектре выходного сигнала

ЦВС появятся дискретные составляющие, следующие с интервалом 2r fш . Для снижения уровня спектральных составляющих на частотах выше рабочего диапазона ССЧ на выходе ЦВС включается фильтр нижних частот с граничной частотой несколько выше fвых.max .

Для сокращения необходимого объема блока памяти в ПК хранится информация только для значений текущей фазы в пределах первого квадранта, она же используется и для остальных трех квадрантов с соответствующей коррекцией фазы. Более того, в блоке памяти обычно происходит квантование по фазе, т. е. в нем записаны коды значения синусоиды только для ряда дискретных значений фазы в пределах угла 0… 2 . Если число таких значе-

ний 2k 1, то шаг квантования фазы q 2k 1 (k n).

Текущие значения амплитуды синтезируемого синусоидального сигнала также квантованы, а относительная величина шага квантования равна

1(2m 1) , где m – разрядность ЦАП.

Квантование фазы в блоке памяти и мгновенных значений напряжения на выходе ЦАП приводит к отклонениям синтезированного колебания от моногармонического, характеризуемым уровнями фазового Dф.ш и ам-

плитудного D а.ш шумов [1], [5]:

Описание лабораторного стенда

Учебно-лабораторный стенд «Пассивный цифровой синтезатор частоты» предназначен для исследования методов построения и изучения принципа работы и основных характеристик пассивных синтезаторов частоты.

Лабораторный стенд сдержит 2 функционально законченных ССЧ: цифровой пассивный с потоками двухуровневых импульсов и ЦВС. Частота сигнала на выходе каждого синтезатора может изменяться в пределах от 1 до 99 кГц с шагом сетки fш 1 кГц.

На лицевой панели макета приведены структурные схемы исследуемых ССЧ и размещены органы управления. Выбор схемы ССЧ осуществляется кнопкой «ТИП ССЧ». При выборе типа схемы автоматически активизируются органы индикации и управления соответствующего ССЧ.

18

Для наблюдения осциллограмм и спектрограмм используются внешние двухлучевой осциллограф с возможностью дополнительной внешней синхронизации и анализатор спектра, подключаемые к необходимым контрольным точкам с помощью соответствующих разъемов (Вых. 1 и Вых. 2), выведенных на заднюю панель стенда. В левом верхнем углу лицевой панели расположен выключатель «СЕТЬ», обеспечивающий включение и выключение стенда.

Структурная схема пассивного ССЧ с потоками двухуровневых импульсов (переключатель «ТИП ССЧ» в положении 1) совпадает со схемой рис. 2.2 при условии, что N = 2.

Требуемая частота выходного сигнала ССЧ устанавливается кнопками,

расположенными в полях «СТАРШАЯ ДЕКАДА» и «МЛАДШАЯ ДЕКА-

ДА» и управляющими ключами К1 и К2. Значение частоты определяется соотношением fвых 10kс. д kм. д кГц, где kс. д и kм.д – число включенных кнопок (выбранных импульсов из 10-импульсной пачки) в старшей и младшей декадах соответственно. Порядок следования выбранных импульсов определяется положением кнопок и индицируется загоранием соответствующих светодиодов.

Вустановке предусмотрена возможность подключения внешних измерительных приборов к выходу схемы «ИЛИ» (вых. 2) и к выходу ССЧ (Вых.1).

Воснову построения структурной схемы ЦВС (переключатель «ТИП ССЧ» в положении 2) положена схема рис. 2.3, в которой блок УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ является ЧР, УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ ФАЗЫ – служит НКФ, а блоки ПК и ЦАП объединены в УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ. Дополнительно введены блоки ЧИСЛО ДИСКРЕТОВ ФАЗЫ

иЧИСЛО ДИСКРЕТОВ АМПЛИТУДЫ, обеспечивающие изменение чисел уровней квантования фазы Nд. ф дискретов амплитуды Nд. а .

Требуемая частота выходного сигнала ССЧ устанавливается кнопками

«ПЛАВНО» и «ГРУБО», расположенными в поле «УСТАНОВКА ЧАС-

ТОТЫ», и отображается на встроенном светодиодном индикаторе. При этом с выхода ЧР на вход устройства вычисления фазы подается код дискрета фазы k , определяющий частоту выходных колебаний.

Устройство вычисления фазы построено на основе каскадного соединения 12-разрядных двоичного сумматора и регистра (НКФ) и 8-разрядного коммутатора, позволяющего изменять Nд. ф в интервале 2…512.

19

Устройство вычисления амплитуды, определяющее мгновенное значение sin[ (i)] и преобразующее полученное двоичное число в напряжение на выходе синтезатора, состоит из каскадно-соединенных микросхем памяти (ПК) и ЦАП, число разрядов преобразования которого может принимать значения в интервале 1…8. При этом число дискретов амплитуды Nд. а изменя-

ется от 2 до 256.

Число дискретов фазы и амплитуды устанавливается с помощью кнопок, расположенных в поле «ЧИСЛО ДИСКРЕТОВ», и отображается загоранием соответствующих светодиодов.

ФНЧ осуществляет фильтрацию колебаний с частотами более 100 кГц. В установке предусмотрена возможность подключения внешних измерительных приборов ко входу и к выходу ФНЧ.

Помимо исследуемых ССЧ в состав лабораторного стенда включен универсальный мультиметр, предназначенный для измерения периода и частоты формируемых колебаний. Измерение частоты генерируемых колебаний может производиться при различных временах усреднения (накопления) Tн , составляющих 1, 10, 100 мс, 1 и 10 с, а измерения периода – при усреднении N периодов ( N = 1, 10, 100 и 1000). Данные измерений выводятся на жидкокристаллический дисплей. «Перелистывание» страниц дисплея осуществляется кнопками << и >>. Запуск частотомера осуществляется кнопкой «Т».

Часть 1. Исследование пассивного цифрового ССЧ с потоками двухуровневых импульсов

Цели работы:

1.Изучение функциональной схемы и принципа работы пассивного цифрового синтезатора частоты с потоками двухуровневых импульсов.

2.Исследование влияния закона распределения импульсов на периоде выходного колебания декадного синтезатора на уровень побочных спектральных составляющих.

3.Исследование нестабильности частоты двухуровневого декадного синтезатора.

4.Исследование влияния абсолютного значения синтезируемой частоты на нестабильность периода колебаний и максимальный уровень побочных спектральных составляющих.

20