dsd11-12 / dsd-11=ТКС / full

Рис. 8.11. Синтезатор частоты с предварительной установкой ГУН.

Простейшим методом, относящимся к первой группе, является предварительная установка fVCO вблизи требуемого номинального значения (рис. 8.11). Для этого в схему вводится цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и дешифратор (ДШ). Весь диапазон перестройки ГУН делится на ряд поддиапазонов. Предварительная установка fVCO производится подачей на второй вход сумматора (См) напряжения еупр2 с выхода ЦАП. Точная установка fVCO т. е. режим синхронизации, осуществляется затем системой ФАПЧ. Минимальное число поддиапазонов определяется из необходимости обеспечения надежного захвата в пределах каждого поддиапазона. При необходимости использования ФНЧ с большей инерционностью должна быть повышена точность предварительной установки fVCO, так как fn при этом резко сужается. Однако в реальных условиях вследствие ряда дестабилизирующих факторов собственные отклонения частоты могут быть значительными, что снижает эффективность рассмотренного метода. Развитием последнего

220

Рис. 8.12. Синтезатор с устройством поиска частоты.

является введение системы поиска частоты. При этом установка fVCO производится автоматическим выбором управляющего напряжения еупр2, при котором в системе ФАПЧ происходит захват. Для определения момента вхождения системы ФАПЧ в режим синхронизации в схему вводится датчик частотного рассогласования (ДЧР) (рис. 8.12). На рисунке штриховыми линиями обозначены другие возможные варианты подключения ДЧР. Для формирования закона изменения еупр2 включается устройство формирования кода (УФК). В простейшем случае в качестве УФК может быть использован реверсивный счетчик, изменяющий код управления ЦАП, а следовательно, и еупр2 по линейному закону с некоторой тактовой частотой fт. Максимальное время поиска в этом случае tп. max = 2n/fт, где n — разрядность ЦАП.

Отметим, что подачу еупр2 (на рис. 8.11 и 8.12) можно осуществить на вход ФНЧ. Для этого сумматор напряжений должен быть включен между используемым в качестве дискриминатора ФД и фильтром. В этом случае ФНЧ производит дополнительную фильтрацию еупр2, что благоприятно сказывается на спектральных характеристиках синтезатора. Существуют более эффективные алгоритмы поиска частоты с точки зрения повышения быстродействия СЧ.

221

Эффективным средством расширения полосы захвата является использование фазо-частотного детектора (ФЧД). Это позволяет при минимальных аппаратных затратах обеспечить широкодиапазонную перестройку fVCO при сохранении высокого качества выходного сигнала в установившемся режиме. Отличие ФЧД от обычного ФД заключается в том, что в нем имеются два режима сравнения: по фазе и по частоте. Первый — является основным и при этом ФЧД действует аналогично ФД. В частотном режиме работы периодичность характеристики дискриминатора, свойственная ФД, устраняется и информация, которая выдается ФЧД, служит только для индикации наличия частотного рассогласования между входными сигналами и его знака. Критерием смены режима работы ФЧД, как правило, является нарушение очередности поступления входных импульсов дискриминатора

Рис. 8.13 Простейший нелинейный фильтр.

упр.

Рис. 8.14 Простейший коммутируемый фильтр.

222

Одним из методов второй группы является включение в схему нелинейного фильтра (НФ) нижних частот. При этом меняются оба основных параметра ФАПЧ: ωn и ξ . Простейшим вариантом является интегрирующий RС-фильтр (рис. 8.13). Как известно его свойства определяются постоянной времени τ =RC. В данном случае последнюю можно изменять в процессе работы ФАПЧ в зависимости от уровня сигнала, поступающего на вход фильтра. В режиме захвата переменное напряжение с выхода ИФД открывает диоды VD1 и VD2, при этом шунтируется R, что приводит к уменьшению инерционности фильтра и, следовательно, к расширению fn. Естественно, что уровень переменного напряжения на входе НФ в режиме захвата должен быть достаточным для надежного открытия диодов. В стационарном режиме ФАПЧ переменное напряжение на входе фильтра мало, диоды закрыты и фильтр эффективно ослабляет входные помехи, так как инерционность НФ в этом случае велика. В настоящее время данный метод применяется достаточно редко из-за низких напряжений питания, а следовательно и малого динамического диапазона напряжений на входе ГУН.

Рис. 8.15 Синтезатор с изменяемыми параметрами схемы накачки заряда.

Примером нелинейного коммутируемого фильтра (КФ) может

223

служить интегрирующее звено, в котором параллельно с резистором подключен ключ (рис. 8.14). Команда на замыкание последней подается при переключении выходных частот синтезатора и удерживается до достижения системой ФАПЧ стационарного состояния. Основной задачей, решаемой при использовании КФ, является борьба с коммутационной помехой, образующейся на выходе фильтра.

Расширить полосу захвата ФАПЧ можно, изменив параметры схемы накачки заряда (Charge Pump). На рис. 8.15 приведена структурная схема синтезатора, в которой для достижения этого эффекта в цепи управления введен регулируемый Charge Pump. Управление Charge Pump может быть осуществлено теми же способами, что и в НФ и КФ. Кроме того возможно применение токового ЦАП для управления количеством заряда изменяющегося на ФНЧ.

224

Методы повышения быстродействия

Рис. 8.16. Классификация методов повышения быстродействия ФАПЧ.

С рассмотренной задачей ослабления в СЧ противоречий между степенью фильтрации помех и расширением полосы захвата тесно связана проблема повышения быстродействия. Данную проблему можно решить двумя способами: повышением частоты сравнения fref (класс I) и использованием различных технических решений при заданной fref (класс

II) (рис. 8.16).

Методы класса I реализуются при включении дробного делителя с переменным коэффициентом деления (ДДПКД) вместо ДПКД. Применение ДДПКД позволяет существенно повысить fref при заданном

225

шаге fout. Однако говорить об улучшении динамических характеристик синтезатора можно лишь в том случае, если приняты меры по снижению так называемых «помех дробности» ("spurious noise"). Частоты последних отстоят от fVCO на величину, кратную fout < fref. Для уменьшения шумов дробности применяются специальные методы.

Другим способом повышения быстродействия в рамках методов класса I является использование алгоритмов аппроксимации номинальных значений fVCO, В этом случае вместо делителя с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) вводится ДПКД2 с коэффициентом деления R (рис. 8.17). Тогда справедливо равенство:

Рис. 8.17. Синтезатор с аппроксимацией значений выходных частот.

Идея алгоритма заключается в подборе таких значений N и R, при которых fVCO, определяемая из (2.18), была бы достаточно близка к требуемой. Величины N и R (при заданной fref) должны быть существенно меньше коэффициентов деления ДФКД и ДПКД в обычном синтезаторе без аппроксимации. Управление ДПКД1 и ДПКД2 может производиться от вычислительного устройства, определяющего N и R при поступлении

226

команды на изменение fVCO, либо с помощью постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), хранящего в своей памяти заранее записанные коды N и R.

Использование алгоритмов аппроксимации позволяет существенно повысить быстродействие СЧ, однако приводит к непостоянству fout, что накладывает известные ограничения на область применения таких синтезаторов. Кроме того реализующая алгоритм система ФАПЧ работает с изменяющейся в широких пределах частотой сравнения fref, что затрудняет оптимизацию параметров цепи регулирования.

Для получения малого значения fout при высокой частоте fref широко применяются различные способы трансформации шага сетки частот. Наиболее простым из них является использование дополнительного делителя частоты на n на выходе СЧ (рис. 8.18). Выходная частота fout отличается здесь от fVCO в n раз:

Рис. 8.18. Синтезатор с делителем частоты на выходе ГУН.

Из (8.5) следует, что fout=fref / n т. е. частота сравнения в n раз превосходит шаг сетки. Недостатком рассмотренного решения является понижение выходной частоты и сужения в n раз диапазона СЧ.

227

Более сложным, но распространенным способом трансформации fout в рамках метода класса I является построение синтезаторов на основе многокольцевой ФАПЧ. Рассмотрим в качестве примера один из вариантов [2]. Для схемы на рис. 8.19 выходная частота синтезатора определяется соотношением:

где fo1, fo2 — частоты сравнения первого и второго колец ФАПЧ; f3

— частота подставки, вырабатываемая датчиком опорных частот (ДОЧ).

Из (8.6) следует, что изменив N1 и N2 на единицу, можно поучить перестройку fVCO на величину fout=fo2 – fo1. Частоты fo1 и fo2 могут быть на несколько порядков выше fout. При правильном выборе частотного режима смесителей комбинационные составляющие на их выходах фильтруются кольцом ФАПЧ. Однако для интегральных приложений такие системы слишком сложны и практически не применяются.

Способы уменьшения начальной ошибки установки ГУН как метод класса II (рис. 8.19). были рассмотрены выше (рис. 8.14 и 8.15). Если говорить о методах изменения характеристик цепей обратной связи, кроме рассмотренных выше (рис. 8.17, 8.18, и 8.19) существует метод формирования нелинейной характеристики ФД. Все основные типы ФД, применяемых в

228

Рис. 8.19. Двухкольцевой синтезатор.

интегральной электронике, имеют линейный рабочий участок передаточных характеристик. Однако возможно применение более сложных ФЧД, реагирующих на сильные частотные отклонения. Один из вариантов: фазо-частотный детектор содержит реверсивный счётчик, который фиксирует превышение количества импульсов одного входа над другим. Ток Charge Pump при этом пропорционален превышению. Как только количество импульсов поступающих на ФД с опорного генератора и с ГУН сравнялось (а значит ФД переходит в режим детектирования фазы) Charge pump работает с низким током. Подобные методы также достаточно сложны и применяются на практике редко.

Для оптимизации благоприятных начальных условий работы ФАПЧ рассмотрим рисунок 8.20. Здесь для примера изображены временные диаграммы работы умножающей на 4 ФАПЧ. Пусть наша система работает по заднему фронту импульса, а счётчик по переднему.

229