2. Цифровые синтезаторы частот

В последнее время СЧ строят на основе элементов цифровой схемотехники. Такие СЧ называются цифровыми. Цифровые СЧ, как и аналоговые, могут быть построены на основе метода синтеза частот либо прямого, либо косвенного. Цифровые СЧ, по сравнению с аналоговыми, как правило, выполняются на интегральных и больших интегральных схемах. Это резко повышает надежность, уменьшает их габариты и массу, уменьшает регулировку и налаживание в процессе производства. При применении цифровых СЧ в РПУ значительно легче реализуется дистанционное управление приемником. Однако еще не все устройства, входящие в цифровые СЧ, в настоящее время просто выполняются на базе элементов цифровой техники.

В цифровых СЧ, построенных по методу прямого синтеза, колебание требуемой частоты формируется из потока импульсов, частота следования которых .

Упрощенная структурная схема такого СЧ показана на рис. 67, Генератор ОГ вырабатывает гармоническое напряжение с частотой , которое преобразуется в формирующем устройстве (ФУ) в однополярную последовательность коротких по длительности импульсов с частотой следования . Далее эти импульсы поступают на селектор импульсов (СИ), который выделяет из потока входных импульсов последовательность импульсов, частота следования которых . Частота следования импульсов СИ, задается программирующим устройством ПУ. С выхода СИ последовательность импульсов воздействует па триггер (Тг), на выходе которого формируется последовательность импульсов со скважностью, равной или близкой к двум, и частотой следования

. Фильтр нижних частот ФНЧ выделяет из этой последовательности импульсов квазигармоническое колебание требуемой частоты .

Рис. 67

В СЧ, используемых в ПРПУ, необходимо получить сетку выходных частот с определенным шагом f. При этом частоты и как правило, отличаются друг от друга на число, содержащее помимо целой еще и дробную часть. Поэтому СИ не является обычным делителем частоты. При наличии дробной части в отношении / СИ должен обеспечить на своем выходе последовательность импульсов в те моменты времени, в которые во входной последовательности импульсов нет. Этого можно добиться, используя сложение нескольких последовательностей импульсов. Цифровые СЧ, построенные по методу прямого синтеза, обладают высокой скоростью перестройки; вместе с тем уровень побочных составляющих спектра колебания на его выходе значительно выше, чем в цифровых СЧ, построенных по методу косвенного синтеза.

На рис. 68 показана структурная схема простейшей системы косвенного цифрового синтеза. Она отличается от схемы СЧ, построенного по схеме рис. 67, тем, что имеются специальные формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 для преобразования напряжений ОГ и Г в однополярные последовательности импульсов с частотами следования соответственно и . Часто между ФУ1 и импульсным фазовым детектором ИФД включается импульсный делитель частоты Д с постоянным коэффициентом деления m, который понижает частоту ОГ до значения, при котором система работоспособна.

Рис. 68

В ДПКД частота следования импульсов делится в n раз и эти импульсы совместно с импульсами с частотой поступают на ИФД. Сигнал ошибки с выхода ИФД через УЭ воздействует на генератор Г, и кольцо ФАПЧ замыкается. Следовательно, на выходе Г частота колебания , таким образом, частота может изменяться регулировкой коэффициентов деления m и n, шаг сетки выходных колебаний равен . В подобных цифровых СЧ достаточно просто достигается увеличение числа рабочих частот с одновременным уменьшением шага сетки выходных частот при заданном диапазоне изменения частоты генератора Г. Для этого необходимо увеличить коэффициент деления ДПКД и уменьшить частоту (либо увеличить коэффициент m). Однако при этом существенно возрастает время установления колебаний на выходе СЧ. К тому же при очень низкой частоте в СЧ, построенном по схеме рис. 69, не устраняются относительно быстрые изменения частоты перестраиваемого генератора Г.

Уменьшения шага сетки выходных частот можно достичь включением на выходе системы дополнительного делителя частоты с коэффициентом деления , при этом . С увеличением шаг сетки уменьшается, но одновременно уменьшаются и частота и диапазон ее изменения при переключении в ДПКД коэффициента деления от до . Получить малый шаг перестройки с широким диапазоном изменения частоты на выходе СЧ можно, используя два или более кольца ФАПЧ и кольцо сложения. Структурная схема подобного СЧ показана на рис. 69.

Оба кольца ФАПЧ работают от одного ОГ с частотой , следовательно, сетка частот напряжений от генераторов Г1 и Г2 равна , частота а частота . Напряжение с выхода кольца ФАТЧ-1 делится по частоте в 100 раз и подается совместно с напряжением кольца ФАПЧ-2 на суммирующее кольцо ФАПЧ, состоящее из сумматора в режиме вычитания СВ, генератора ГЗ и ИФДЗ. В режиме синхронизации напряжение на выходе суммирующего кольца ФАПЧ, т. е. на выходе СЧ, имеет частоту:

. (118)

Следовательно, кольцо ФАПЧ-1 формирует мелкую сетку выходных частот с шагом , а кольцо ФАТЧ-2 — крупную сетку выходных частот с шагом ; на выходе СЧ получается колебание с частотным шагом . Подобный принцип построения СЧ широко используется в современных РПУ.

Существует много вариантов построения СЧ на базе суммирующего кольца ФАПЧ. Так, суммирующее кольцо ФАПЧ можно представить в виде, показанном на рис. 70. В этом устройстве дополнительный генератор Г2 вырабатывает напряжение с частотой , которое делится в ДПКД по частоте на n, и полученное напряжение подается на ФД2.

Рис. 69

Напряжение с выхода Г2 смешивается в преобразователе Пр с частотой внешнего напряжения. В режиме синхронизации = ; = + . Если выходную частоту такого СЧ разделить на 10 и использовать ее как внешнюю частоту для аналогичной последующей схемы СЧ, то можно построить СЧ с декадным разрешением. Структурная схема такого СЧ показана на рис. 71. Он содержит шесть блоков синтеза БС; первый блок построен по схеме рис. 68, последующие пять - по схеме рис. 70. Частота выходного напряжения такого СЧ , где — коэффициенты деления ДПКД соответствующих БС. Реализовать цифровой СЧ можно на базе одного блока синтеза по схеме рис. 70 с использованием двух блоков частотной памяти — дополнительного А и выходного Б. Структурная схема такого СЧ показана на рис. 72. Коэффициент деления n ДПКД изменяется по определенной программе с помощью программного устройства ПУ. Цикл программы установки частоты состоит из ряда последовательных операций. Каждая операция начинается с установки определенного n ДПКД и заканчивается записью частоты в дополнительный блок памяти А.

Рис. 70

При этом в конце каждой операции на выходе блока А появляется колебание с записанной в памяти частотой . В конце последней операции цикла па выходе блока А появляется колебание с требуемой частотой настройки ; эта частота записывается в память не только блока А но и блока Б. В результате на выходе СЧ появляется колебание с = .

Рис. 71

Процесс установки частоты происходит следующим образом. В начале первой операции цикла устройство ПУ устанавливает n= ; при этом все частоты = = = =0. В конце первой операции на выходе блока А появляется колебание с частотой, равной . После деления этой частоты на 10 получается = . Вторая операция цикла начинается с установки n= ; при этом в начале операции = , = , = а в конце операции = ‚ = , =( + ) , частота записывается в память блока А и на его выходе появляется колебание с частотой =( + ) . Третья операция начинается с установки n= , в конце операции на выходе блока А появляется колебание с частотой =( + + ) и т. д. В конце последней операции цикла частота записывается в память блоков А и Б; в результате на выходе СЧ устанавливается требуемая частота = Устройство ПУ управляет также устройствами выборки и хранения УВХ1 и УВХ2 соответственно в блоках А и Б, обеспечивая запись в этих блоках частоты в конце каждой операции для блока А и каждого цикла для блока Б.

Рис. 72

Примером построения СЧ с цифровыми петлями ФАПЧ могут служить синтезаторы фирмы Gеnегаl Instruments, предназначенные для использования в качестве первых гетеродинов РПУ. Так, СЧ РПУ DCR 30 формирует колебания с частотой 92, 67 ... 122, 17 МГц с шагом 100 Гц. Структурная схема СЧ (рис.73) состоит из трех колец ФАПЧ: выходного и двух вспомогательных. Малые фазовые шумы и время перестройки обеспечиваются в данном СЧ тем, что фазовые шумы определяются только шумами выходного кольца ФАПЧ, а время перестройки зависит только от полосы пропускания вспомогательного кольца ФАПЧ, работающего на частотах от 137 до 147 МГц. Частота ОГ выбрана в СЧ равной 1 МГц, на выходе ОГ включен кварцевый фильтр для дополнительного подавления его выходных шумов. В генераторе Г1 выходного кольца ФАПЧ рабочий диапазон частот разбит на три поддиапазона. Изменение коэффициента деления ДПКДЗ вспомогательного кольца ФАПЧ-2 обеспечивает изменение частоты колебания на выходе СЧ с шагом =100 Гц, коэффициента деления ДПКД3 кольца ФАПЧ-1 с шагом =100 кГц, коэффициента деления ДПКД1 выходного кольца ФАПЧ, изменение выходной частоты с шагом =0,5 МГц. В СЧ ПРПУ DCR ЗОВ диапазон выходных частот расширен по сравнению с СЧ ПРПУ DCR 30 до 90, 40 118, 89999 МГц, а шаг сетки выходных частот уменьшен до 10 Гц. В последнее время находят широкое применение СЧ, построенные с использованием в кольце импульсной ФАПЧ делителя с дробным переменным коэффициент том деления.

Рис. 73

Подобные схемы позволяют реализовать довольно малый частотный шаг и небольшое время установления в одной петле регулирования. Структурная схема СЧ с кольцом ФАПЧ с делителем с дробным переменным коэффициентом деления ДДПКД показана на рис. 74. На этой схеме ДДПКД — это ДПКД, коэффициент деления которого периодически изменяется по некоторой заданной программе с помощью программирующего устройства ПУ, принимая значения то n, то n+1, где n — целое число. В результате такого периодического изменения коэффициента деления ДПКД в среднем коэффициент деления ДДПКД содержит кроме целого числа еще и дробное. Действительно, положим что за десять периодов частоты три периода коэффициент деления ДПКД был равен n, а семь n=1. Тогда отношение . решая это простое уравнение относительно , получаем =(n+0,7) . В СЧ с ДДПКД для повышения спектральной чистоты выходного напряжения необходимо выбирать наиболее рациональные чередования коэффициентов деления на n и n + 1. Реализовать ДДПКД можно также с помощью поглотителя импульсов, не пропускающего по заданной программе определенные импульсы на вход обычного ДПКД. В ряде ПРПУ нашла применение система цифрового синтеза, обеспечивающая высокостабильную разность частот первого и второго гетеродинов (высокостабильную вторую промежуточную частоту). Подобная система, например, используется в ПРПУ 1337/38 фирмы “Эддистон”. Структурная схема, иллюстрирующая принцип работы системы цифровой стабилизации частот в этом РПУ, показана на рис. 75. При установке требуемой частоты, в режиме Настройка, данное устройство отключается, все логические элементы устанавливаются в состояние 0, интегрирующая емкость замыкается, управляющее напряжение на втором гетеродине равно нулю. При переключении переключателя П1 в положение Стоп работа системы определяется управляющим устройством УУ. При этом можно выделить две фазы работы: начальная счетная и корректирующая. В начальной фазе после включения П1 устройство УУ начинает вырабатывать импульсы с длительностью 1 с, поступающие на один из входов схем И1 и И2.

Рис. 74

На вторые входы схем И1 и И2 поступают импульсы с выхода формирующих устройств ФУ1 и ФУ2 с частотами следования и соответственно. На время действия Импульса от УУ схемы И1 и И2 открываются на 1 с и число проходящих через них импульсов от ФУ, соответствующее частоте на выходе И1 и частоте на выходе И2, фиксируется счетчиками Сч1 и Сч2 соответственно.

Затем определяется разность между числами, записанными в Сч1 и Сч2. Для вычитания чисел в двоичном коде складывают коды одного числа с дополнительным кодом другого. Дополнительный код числа, записанного в счетчике Сч1,— это такое число, которого не достает до полного его заполнения. Заполнение счетчика Сч1 обеспечивается через схему ИЗ от ОГ. Как только Сч1 заполнится полностью импульсами от ФУЗ ОГ, регистр памяти РП2 вырабатывает импульс запрета, отключающий схему ИЗ. Заметим, что то же самое число импульсов от ФУЗ ОГ поступит в Сч2 и добавится к ранее записанному в нем. Таким образом произойдет сложение прямого кода числа Сч2 с дополнительным кодом Сч1. Следовательно, в счетчике Сч2 запишется разность = - ; по команде от УУ разность записывается в память РП1. На этом начальная фаза работы заканчивается. Далее УУ вновь вырабатывает импульс, длительностью 1 с; в Сч1 и Сч2 записываются числа, соответствующие частотам и , определяется разность = - .

Рис. 75

После этого число, хранящееся в памяти РП1, заносится в счетчик Сч1 и вычитается из числа в счетчике Сч2. В результате в Сч2 записывается число разности между последующим и предыдущим значениями - , равное - . Эта разность характеризует отклонение второй промежуточной частоты от номинального значения. Число - поступает на РПЗ, в котором выравниваются длительности импульсов, а затем на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, выходное напряжение которого (пропорциональное коду) после интегрирования подстраивает частоту второго гетеродина. После этого корректирующая фаза повторяется. Время, затрачиваемое на начальную и корректирующую фазы, несколько больше 1 с; число разрядов в счетчике равно семи; система позволяет скорректировать изменение частоты между двумя корректирующими фазами на 127 Гц. Общая долговременная коррекция ограничена максимально возможным изменением напряжения на выходе интегратора и значением крутизны характеристики УЭ второго гетеродина. При превышении допустимого значения напряжения можно достаточно просто предупредить оператора о необходимости перестройки приемника. Рассмотренная система стабилизации частот позволяет упростить конструкцию приемника, Дистанционное управление и снизить его стоимость.

При использовании в СЧ приемника интерполяционного генератора ИГ общая частотная стабильность ПРПУ, определяемая стабильностью ИГ, снижается. Для повышения стабильности ИГ в приемнике может предусматриваться специальная цифровая система стабилизации частоты ИГ, суть работы которой состоит в следующем. После настройки приемника на требуемую частоту включается блок системы стабилизации, в котором частота настройки измеряется и запоминается. При уходе частоты настройки новое значение час готы настройки сравнивается со значением частоты, хранящимся в памяти; сигнал ошибки воздействуя на ИГ, подстраивает его. Интерполяционный генератор применен в ПРПУ RO 150. Три первые цифры частоты настройки ( 10 МГц, 1 МГц и 100 кГц) в этом приемнике устанавливаются непосредственно декадными переключателями СЧ, четвертая ручка обеспечивает плавную настройку в полосе 100 кГц. Ручка плавной настройки изменяет частоту ИГ. Предусмотрена возможность работы ИГ в режиме захвата (устанавливается оператором). В этом режиме после каждого цикла счета цифровым счетчиком значения трех последних цифр частоты настройки сравниваются с соответствующими предыдущими значениями цифр, хранящимися в цифровой памяти. При наличии разницы между цифрами данного и предыдущего счета вырабатывается сигнал ошибки, корректирующей частоту ИГ.

Настройкой управляют с помощью счетчика Вверх- Вниз, который также позволяет реализовать одноручечную настройку приемника. Структурная схема, поясняющая настройку приемника RO 150, показана на рис. 76. К счетчику подсоединяется цифровой индикатор частоты настройки с памятью. При вращении ручки настройки генерируются настроечные импульсы, поступающие на вход счетчика Вверх-Вниз. Число импульсов определяет значение частоты настройки, скорость их следования — скорость настройки. Скорость настройки зависит от скорости вращения ручки настройки, а направление ее вращения указывает знак изменения синтезируемой частоты. Счетчик Вверх-Вниз имеет восемь выходов, цифры на первых трех выходах определяют первые три цифры частоты СЧ, на пяти последующих — частоту ИГ. Вращение ручки настройки вызывает изменение заполнения счетчика; при этом меняются числа на его выходах и, как результат этого, частота на выходе СЧ. При нахождении ручки настройки в среднем положении импульсы на вход счетчика Вверх-Вниз не поступают и, следовательно, частота па выходе СЧ постоянна. Генератор ИГ перекрывает диапазон частот от 480 до 600 кГц с шагом перестройки примерно 1 Гц. В программируемом ДДПКД генерируются импульсы со средней частотой от 479 999 до 599 999 Гц, которые сравниваются в детекторе е импульсами с частотой ИГ. Делитель, ДДПКД программируется цифрами с пяти последних выходов счетчика Вверх-Вниз, соответствующих последним пяти цифрам набираемой частоты. Когда значения цифр на пяти последних выходах счетчика при увеличении набираемой частоты достигают верхнего предела диапазона ИГ, частота крупной сетки частот СЧ скачком повышается на 100 кГц, а частота ИГ уменьшается на 100 кГц.

Рис. 76

При уменьшении частоты настройки происходят обратные переключения СЧ и ИГ при значениях цифр на пяти последних выходах счетчика Вверх-Вниз, соответствующих нижнему пределу диапазона ИГ. для избегания повторного переключения частот крупной сетки СЧ и ИГ в процессе поиска требуемого значения частоты вблизи одного из пределов интерполяционного диапазона при достижении предельной частоты диапазона предусмотрено скачкообразное изменение частоты ИГ на 20 кГц за пределы диапазона с гистерезисом. Выход за пределы диапазона контролируется специальным блоком Контроль. Делитель ДДПКД включает в себя счетчик и схему пропускания. В зависимости от заполнения счетчика и программируемого кода схема пропускания определяет, какие импульсы, действующие на входе делителя с эталонной частотой, должны быть пропущены за его выход. Усредненная частота импульсов на выходе ДДПКД имеет стабильность частоты ОГ, однако в каждый Момент времени мгновенная частота колебания на выходе ДДПКД меняется, что говорит о ее невысокой кратковременной стабильности. Мгновенные изменения частоты сигнала на выходе ДДПКД можно интерпретировать как фазовую модуляцию выходного сигнала со сравнительно низкой частотой. Поэтому нельзя использовать такой сигнал, как опорное напряжение в кольце ФАПЧ для синхронизации частоты ИГ. Необходимо усреднить по частоте импульсы от ДДПКД, что обеспечивается в детекторе, который измеряет накапливаемую разность фаз колебаний с выхода ДДПКД и ИГ. детектор вырабатывает выходной импульс только в том случае, если разность фаз входных сигналов выйдет за определенные заданные границы. Среднее время, за которое эта разность фаз выйдет за пределы заданных границ, обратно пропорциональна разности частот входных сигналов. Если частоты входных сигналов отличаются сильно, то это среднее время мало; однако оно увеличивается по мере уменьшения разности частот входных сигналов. В рассматриваемом приемнике использован шаг 3600; при этом детектор можно реализовать на основе реверсивного счетчика. Этот счетчик работает как детектор разности частот. Если разность фаз входных сигналов выходит за установленные границы, то генерируется импульс, переустанавливающий детектор на один шаг в 360°. На один из двух входов счетчика подаются импульсы с частотой ИГ, на другой вход через схему НЕ импульсы от ДДПКД. Если частота импульсов от ИГ превышает частоту импульсов на выходе ДДПКД на определенное заданное значение, соответствующее разности фаз 3600, детектор вырабатывает импульс, который устанавливает счетчик в исходное состояние и, воздействуя на блок Управление ИГ, вызывает уменьшение частоты ИГ. Если частота ИГ ниже частоты импульсов от ДДПКД на то же самое заданное значение, то детектором вырабатывается импульс (выход Вверх), вызывающий через блок Управление ИГ увеличение частоты ИГ. Следовательно частота ИГ синхронизируется только в моменты времени, когда вырабатываются импульсы на выходах детектора. В этот момент стабильность частоты ИГ равна стабильности частоты ОГ В промежутках между этими импульсами кольцо синхронизации разомкнуто. Время повторения импульсов на выходах детектора обратно пропорционально разности частот импульсов на его входе. Минимальный шаг коррекции частоты ИГ равен 1 Гц при наименьшем шаге ДДПКД в 1 Гц Настройкой частоты ИГ управляют изменением емкости в его контуре. Импульсы с выходов детектора превращаются в блоке Управление ИГ в повышающее или понижающее управляющее напряжение. Предусмотрено три шага коррекции частоты ИГ: шаг 1 Гц при разности частот до 10 Гц, шаг 10 Гц при разностях частот до 100 Гц и шаг 100 Гц при разности частот больше 100 Гц. Конкретный шаг коррекции выбирают сравнением по периодам следования импульсов от двух мультивибраторов (длительность этих импульсов 10 и 100 мс) и от детектора. Импульсы с выходов детектора и одного из мультивибраторов подаются на схему И. Если, например, разность частот колебаний от ИГ и ДДПКД на входе детектора 10 ... 100 Гц, то выходные импульсы детектора и мультивибратора с длительностью импульсов 100 мс воздействуют на соответствующую схему 14, на выходе которой возникает импульс, обеспечивающий перестройку ИГ с шагом 10 Гц. При этом схема И второго мультивибратора будет закрыта. Если разность частот колебаний на входе детектора меньше 10 Гц, то обе схемы И будут закрыты и автоматически обеспечивается шаг коррекции 1 Гц для устранения ошибки в 10 Гц требуется время менее 300 мс.