Sb95258

Программа выполнения работы

1.Включить стенд (переключатель «ТИП ССЧ» – в положение 1).

2.Ознакомиться с работой синтезатора. Для этого, пользуясь клавиатурой управления старшей и младшей декадами, набрать несколько значений частоты и наблюдать на экранах осциллографа и анализатора спектра осциллограммы и спектрограммы сигналов на выходе схемы «ИЛИ» и на выходе ССЧ. Обратить внимание на различия в осциллограммах и спектрограммах при разных способах выбора порядка следования импульсов в каждой из декад при наборе одинаковой частоты.

3.Исследовать влияние закона распределения импульсов на одном периоде выходного колебания схемы «ИЛИ» на уровень побочных спектральных составляющих при работе только старшей декады. Для этого при значении частоты выходного сигнала 30 кГц при всех возможных выборах 3 импульсов из 10 измерить с помощью частотомера флуктуации периода выходных колебаний ( T Tmax Tmin ) и определить по соотношению (2.1) отно-

сительный уровень амплитуды максимальной побочной составляющей.

Для определения максимального (Tmax ) и минимального (Tmin ) значений периода по частотомеру необходимо в режиме измерения периода при N 1 нажать кнопку запуска частотомера Т и удерживать ее в нажатом состоянии некоторое время. Записать максимальное и минимальное показания частотомера. Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра. Определить, при каком порядке следования импульсов синтезатор будет оптимальным, а T приобретет минимальное значение, равное 1/ fт .

4. Повторить эксперимент по п. 3 при значении частоты выходного сигнала 3 кГц (включена только младшая декада). Сравнить и объяснить результаты исследований по п. 3 и п. 4.

5. Исследовать влияние времени усреднения на нестабильность периода генерируемых колебаний. Измерения проводятся в режиме измерения периода при усреднении за 1; 10; 100 и 1000 периодов выходных колебаний. Для каждого времени усреднения записать десять значений периода (Ti ). Построить в логарифмическом масштабе зависимость относительной нестабильности периода от времени усреднения, определяемой соотношениями

21

Измерения проводятся для случаев оптимального и наихудшего расположений импульсов на периоде при частоте выходных колебаний, равной 30 кГц.

6. Исследовать влияние закона распределения импульсов в каждой из декад на уровень побочных спектральных составляющих в спектре выходного сигнала ССЧ. Частоту выходного сигнала установить 33 кГц. Определить флуктуации периода выходных колебаний ( T ) и вычислить по соотношению (2.1) амплитуду максимальной побочной составляющей. Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра.

Измерения проводятся для следующих случаев:

–импульсы в старшей и младшей декадах расположены наихудшим образом;

–импульсы в старшей и младшей декадах расположены наилучшим образом. Сравнить результаты экспериментов.

7. Исследовать оптимальный двухуровневый синтезатор. Для этого

включить схему многоуровневого синтезатора, переключив «ТИП ССЧ» в положение 2. В соответствии с описанием лабораторного макета установить число дискретов амплитуды равным 256, число дискретов фазы – 2, а частоту выходных колебаний – 30 кГц. Определить флуктуации периода выходного колебания ( T ), вычислить максимальный уровень побочных спектральных составляющих и сравнить его с показаниями анализатора спектра. Провести также сравнение с аналогичными характеристиками двухдекадного оптимального синтезатора при том же значении частоты выходного сигнала. Объяснить результаты сравнения, учитывая, что частота опорных тактовых импульсов в многоуровневом синтезаторе составляет 512 кГц, а в двухуровневом – 1000 кГц.

Изменяя частоту выходных колебаний от 11 до 91 кГц через 10 кГц, исследовать влияние абсолютного значения частоты на нестабильность периода колебаний и максимальный уровень побочных спектральных составляющих. Построить соответствующие зависимости.

Часть 2. Исследование цифрового вычислительного синтезатора

Цели работы:

1.Изучение функциональной схемы и принципа работы ЦВС.

2.Исследование влияния числа уровней квантования фазы и дискретов амплитуды на нестабильность частоты ЦВС.

3.Исследование зависимости относительного уровня субгармонических составляющих в выходном сигнале синтезатора от его рабочей частоты.

22

4. Исследование влияния числа уровней квантования фазы и дискретов амплитуды на гармонический состав выходного сигнала синтезатора.

Программа выполнения работы

1.Включить стенд и установить переключатель «ТИП ССЧ» в положение 2.

2.Ознакомиться с работой синтезатора. Для этого, пользуясь клавиатурой управления в соответствии с описанием лабораторного стенда, установить частоту выходных колебаний равной 4 кГц и максимальные число разрядов преобразования ЦАП и число уровней квантования фазы. Наблюдать осциллограммы сигналов на выходе ССЧ до и после фильтра низких частот, изменяя числа уровней квантования фазы Nд. ф и амплитуды Nд. а .

Зарисовать осциллограммы и спектрограммы сигналов на выходе ССЧ при частотах выходного сигнала 8 и 9 кГц для случаев Nд. ф = 256, Nд. а = 8 и

Nд. ф = 8, Nд. а = 256.

3. Исследовать влияние числа уровней квантования фазы при Nд. а =

= 256 на нестабильность частоты (периода) колебаний. Для этого при частоте выходного сигнала 90 кГц при всех возможных Nд. ф измерить с помощью

частотомера ( N 1) флуктуации периода выходных колебаний ( T ) и определить по соотношению (2.1) амплитуду максимальной побочной составляющей. Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра. Построить соответствующие графики.

4. Исследовать влияние числа дискретов амплитуды начиная с 4 на нестабильность частоты (периода) колебаний. При частоте выходного сигнала ССЧ 90 кГц и Nд. ф 512 при всех возможных значениях Nд. а измерить с

помощью частотомера флуктуации периода выходных колебаний T и определить по соотношению (2.1) амплитуду максимальной побочной составляющей. Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра. Построить соответствующие графики.

5. Исследовать совместное влияние числа дискретов фазы и дискретов амплитуды на уровень побочных спектральных составляющих. Для этого одновременно изменять оба параметра начиная с 4 и приняв, что Nд. а Nд. ф .

Измерения проводятся на частоте 90 кГц. Произвести соответствующие измерения, вычисления и сравнительный анализ. Построить графики полученных зависимостей.

23

6. Зарисовать осциллограммы и спектрограммы сигналов на выходе ССЧ при Nд. ф = Nд. а = 8 и частотах выходного сигнала 32 и 33 кГц.

7. При максимальном числе дискретов фазы Nд. ф и числе дискретов амплитуды Nд. а 8 исследовать зависимость амплитуды максимальной суб-

гармонической составляющей от частоты выходного сигнала. Для этого, изменяя частоту выходного сигнала от 11 до 91 кГц через 10 кГц, измерить флуктуации периода выходных колебаний T и определить по соотношению (2.1) амплитуду максимальной побочной составляющей. Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра. Построить соответствующие графики и сравнить их с графиками, полученными в п. 7 первой части работы.

8. Исследовать зависимость относительного уровня второй и третьей гармоник выходного сигнала от числа дискретов амплитуды, установив при этом частоту выходного колебания ССЧ 8 кГц, а Nд. ф – максимальным. По-

строить графики изменения второй и третьей гармоник.

9. Пользуясь анализатором спектра, определить на частоте, указанной преподавателем, минимальное значение частоты субгармонической составляющей в спектре выходного сигнала, установив Nд. ф = 2, а Nд. а = 256.

Содержание отчета

1.Функциональные схемы исследуемых синтезаторов.

2.Таблицы с данными экспериментов и расчетов.

3.Графики экспериментальных и расчетных зависимостей.

4.Краткие выводы по работе.

Контрольные задания и вопросы

1.Нарисуйте структурную схему декадного ССЧ с потоками двухуровневых импульсов и объясните принцип его работы.

2.Объясните механизм влияния закона распределения импульсов на стабильность частоты и уровень максимальной побочной составляющей в спектре выходного сигнала синтезатора с потоками двухуровневых импульсов. При каких условиях такой ССЧ будет оптимальным?

3.При каком значении частоты выходного сигнала декадного ССЧ в его спектре не будет субгармонических составляющих?

4.Нарисуйте структурную схему ЦВС и объясните принцип его работы.

24

5. Объясните влияние числа уровней квантования фазы и амплитуды на уровень побочных составляющих в выходном сигнале ЦВС.

6.В чем причины появления амплитудного и фазового шума в выходном сигнале ССЧ с потоками многоуровневых импульсов?

7.Чем вызвана зависимость нестабильности частоты и уровня субгармонических спектральных составляющих в выходном сигнале ЦВС от абсолютного значения частоты? При каких значениях частоты в выходном сигнале ССЧ не будет субгармонических спектральных составляющих?

Лабораторная работа 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТЫ С ФАП

Основные теоретические сведения

При построении активных ССЧ широко используются методы, основанные на применении фазовой автоподстройки частоты (ФАП). С помощью устройств ФАП можно осуществить алгебраическое суммирование частот ряда колебаний, деление и умножение частоты. Цифровые синтезаторы с ФАП могут быть использованы в диапазоне частот вплоть до 10 ГГц, обеспечивая низкий уровень побочных спектральных составляющих.

Структурная схема простейшей системы активного синтеза с ФАП представлена на рис. 3.1. Источником выходных колебаний в ней служит генератор G, плавно перестраиваемый с помощью реактивного элемента РЭ, включенного в его колебательную систему. В качестве РЭ обычно используются матрицы из встречно-включенных варикапов, емкость которых изменяется под действием управляющего напряжения, подаваемого на него с выхода импульснофазового детектора ИФД через фильтр нижних частот ФНЧ и усилитель постоянного тока УПТ. Совокупность генератора и РЭ образует генератор, управляемый напряжением ГУН.

25

В ИФД происходит сравнение моментов прихода импульсов, поступающих с выхода эталонного генератора ЭГ и имеющих частоту следования fэ , и импульсов, сформированных из выходного сигнала ГУН и прошедших через делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД, т. е. tэ и tд .

Эталонный генератор обычно выполняется в виде каскадного соединения опорного кварцевого генератора и делителя с фиксированным коэффициентом деления. В рассматриваемом синтезаторе возможен стационарный синхронный режим, при котором между моментами прихода импульсов на входы ИФД устанавливается постоянный временной сдвиг, а их частоты оказываются равными, т. е.

где fГУН – частота сигнала на выходе синтезатора; Nд – текущее значение коэффициента деления ДПКД.

Представив соотношение (3.1) в виде fГУН Nд fэ , нетрудно заме-

тить, что подобный синтезатор является умножителем частоты fэ , а изменяя

Nд , можно получать дискретные значения fГУН с шагом fш fэ .

В том случае, когда равенство (3.1) не выполнено (режим биений), на выходе ИФД возникает переменное напряжение, так изменяющее емкость варикапа, а следовательно, резонансную частоту колебательной системы ГУН и частоту его генерации, чтобы переменная составляющая текущей разности моментов прихода импульсов t(t) уменьшалась, стремясь к нулю, а постоянная составляющая стремилась к величине, соответствующей стационарному режиму.

Для анализа особенностей работы ССЧ с ФАП и, в первую очередь, фильтрующих свойств кольца ФАП удобно представить ССЧ как систему с обратной связью. С учетом сказанного, коэффициент передачи между двумя

при замкнутой и разомкнутой петле обратной связи соответственно; Kр.п –

полный коэффициент передачи по обходу разомкнутой петли. Коэффициент передачи разомкнутого кольца ФАП, во многом определяющий свойства синтезатора, для рассматриваемой схемы [1]

26

SГУН (uу ) d ГУН duу – крутизна регулировочной характеристики ГУН, uу –

управляющее напряжение, поступающее с ФНЧ на вход ГУН; 1 j – коэффициент передачи автогенератора в ГУН.

С учетом сказанного для линейной модели ССЧ, в [1] были получены следующие соотношения для коэффициентов передачи фазовых шумов ГУН –

Анализ (3.2) и (3.3) показывает, что низкочастотные составляющие фазовых шумов сигнала на выходе ГУН подавляются кольцом ФАП тем эффективнее, чем ниже (при 0, KГУН 0). С повышением частоты KГУН возрастает, стремясь к единице. Что же касается KЭГ д , то его изменения в

диапазоне частот оказываются прямо противоположными. Максимальное значение KЭГ д , равное Nд , будет наблюдаться при 0, а с ростом частоты

KЭГ д будет уменьшаться, т. е. низкочастотные составляющие фазовых шу-

мов сигналов на входах ИФД усиливаются кольцом ФАП в Nд раз.

27

Таким образом, в выходном сигнале синтезатора с кольцом ФАП в режиме синхронизации эффективно подавляются те побочные составляющие, возникающие в ГУН, частоты которых близки к требуемому значению синтезируемой частоты fвых = fГУН , а удаленные от нее беспрепятственно прохо-

дят на выход. Зато вблизи fвых появляются спектральные составляющие, обусловленные нестабильностью частоты сигналов, поступающих с эталонного генератора, и фазовым шумом ДПКД, тогда как при больших отстройках от

эти составляющие будут подавлены.

Коррекция частотных характеристик кольца ФАП, позволяющая получить требуемое подавление фазовых шумов ГУН, ЭГ и ДПКД и побочных составляющих (в том числе и обусловленных прохождением сигнала с выхода ЭГ на вход ГУН) во всей области частот вблизи fвых , осуществляется с

помощью выбора соответствующей частотной характеристики K

Подчеркнем, что фазовые шумы ГУН эффективно подавляются в окрестности fвых только в пределах полосы пропускания ФНЧ.

Помимо подавления побочных составляющих ФНЧ и УПТ должны обеспечить устойчивость ССЧ. Для этого необходимо, чтобы модуль коэффициента передачи разомкнутого кольца ФАП был меньше 1 в области частот , где абсолютное значение его аргумента больше .

Необходимо отметить, что наличие ФНЧ может стать причиной усиления шумов ГУН в окрестности fвых , близкой к граничной частоте ФНЧ. Подобное явление связано с тем, что при использовании в качестве ФНЧ RC- фильтра при приближении к его граничной частоте аргумент Kр.п может превысить за счет фазовых сдвигов в остальных блоках ССЧ. Условие устойчивости при этом не нарушится, поскольку Kр.п ˂ 1, но изменится знак

перед вторым слагаемым в знаменателе (3.2), что приведет к росту KГУН . Ширина полосы удержания (синхронизма) Пс Kу.ф(0)SГУН Um , в

пределах которой автоматически сохраняется условие синхронизма при квазистатической отстройке ГУН, определяется максимальным изменением частоты ГУН под воздействием управляющего напряжения. Полоса захвата не превышает полосу удержания и в значительной степени определяется характеристиками ФНЧ. Напомним, что полосой захвата называется значение начальной отстройки, при которой возникает переход от режима биений к режиму синхронизации.

28

Одной из важных характеристик любого ССЧ является время перестройки с одной рабочей частоты на другую, определяемое длительностью переходного процесса. Поскольку цифровой ССЧ с ФАП представляет собой устройство с дискретным регулированием, вид переходного процесса имеет ступенчатый характер, а ширина каждой ступеньки определяется моментом прихода очередного импульса с выхода ДПКД.

В [1] установлена связь между ошибками в значении частоты сигнала на выходе ССЧ с приходом (k – 1) -го ( fош.(k 1) ) и k -го ( fош.k ) импульсов с выхода ДПКД после начала перестройки

fош.k fош.(k 1)q ,

где fош.k fвых fвых.k ; fош.(k 1) fвых fвых.(k 1) , fвых – требуемая

частоты нарушается, что говорит о нарушении условия устойчивости в петле ФАП. Сказанное иллюстрируется графиками (рис. 3.2), где изображен переходной процесс изменения частоты при переключении коэффициента деле-

Далее рассмотрим возможности формирования радиосигналов в синтезаторах с ФАП. Поскольку амплитудная модуляция и манипуляция, а также различные виды однополосной модуляции не могут быть осуществлены в

29

подобных ССЧ, в состав возбудителя включается формирователь информационного сигнала, угловая же (фазовая или частотная) модуляция или манипуляция, как правило, осуществляется в тракте ССЧ.

Модулирующее напряжение uмод в кольце ФАП можно подавать на

РЭ, на фазовый модулятор (ФМ), включаемый перед ИФД в цепь подачи опорного колебания (в этом случае удается реализовать значения индекса модуляции, существенно превышающие 1), или одновременно на РЭ и ФМ.

При подаче модулирующего гармонического напряжения с амплитудой Uмод на РЭ амплитуда изменения (девиация) частоты выходного колебания составит [1]

вых Uмод SГУН , т. е. реализуется практически неискаженная частотная

модуляция. Если же надо получить неискаженную фазовую модуляцию, то модулирующее напряжение следует подавать на РЭ через дифференциатор. При этом вых Uмод SГУНKд , где Kд j Kд – коэффициент передачи дифференциатора.

Для получения практически неискаженной фазовой модуляции модулирующее напряжение можно подавать и непосредственно на ФМ. В этом

случае при (1 Nд )SФД SГУН Kу.ф( j max ) max индекс фазовой модуляции вых Uмод KФМ Nд , где KФМ – коэффициент передачи фазового модулятора; max – максимальная частота модулирующего сигнала.

Подавая модулирующее напряжение одновременно на РЭ и через интегратор на ФМ, удается получить неискаженную частотную модуляцию во всей области модулирующих частот, лежащей между min и max [1].

Простейший способ реализации частотного телеграфирования ФМ-2 в ССЧ с кольцом ФАП требует изменения коэффициента деления ДПКД в зависимости от того, какая из двух частот должна быть получена. Инерционность ГУН обеспечивает при этом отсутствие разрыва фазы, но из-за быстрого

30