Содержание отчета

1. Наименование и цель лабораторной работы.

2. Принципиальные схемы исследуемых автогенераторов.

3. Таблицы и графики результатов исследования нестабильности частоты генераторов.

4. Таблицы и графики результатов исследования зависимости частоты генерируемых колебаний от температуры транзистора.

5. Таблицы и графики результатов исследования зависимости частоты генерируемых колебаний от температуры КР.

6. Выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Что такое нестабильность частоты? Каковы особенности кратковременной, средневременной и долговременной нестабильностей?

2. Как определяются абсолютная и относительная нестабильности частоты?

3. Каким образом осуществляется оценка нестабильности частоты колебаний в радиоэлектронике?

4. От чего зависит стабильность частоты колебаний в АГ? Систематизировать дестабилизирующие факторы по влиянию на кратковременную, средневременную и долговременную нестабильности.

5. Перечислить основные схемотехнические способы снижения степени влияния дестабилизирующих факторов и повышения стабильности частоты колебаний в АГ.

6. Перечислить основные конструкторско-технологические способы повышения стабильности частоты.

7. Провести сравнительный анализ различных колебательных систем по величине обеспечиваемой ими стабильности (нестабильности) частоты.

8. Что происходит со стабильностью частоты при усилении колебаний ВЧ, умножении их частоты, амплитудной и фазовой модуляции?

3.9. Исследование пассивного цифрового синтезатора сетки частот с потоками двухуровневых импульсов (Лабораторная работа №9)

Цель работы: изучить функциональные схемы и принципы работы пассивных цифровых синтезаторов частоты; исследовать режимы работы и характеристики пассивного цифрового синтезатора с потоками двухуровневых импульсов.

Основные теоретические сведения Общий анализ методов синтеза частот

Синтезом частот называют процесс получения одного или нескольких колебаний с заданным набором номинальных значений их частот из конечного числа исходных колебаний, обычно создаваемых опорными кварцевыми генераторами (ОКГ). Принципы построения и функционирования кварцевых автогенераторов рассмотрены в лабораторной работе №6 «Исследование автогенератора с кварцевой стабилизацией частоты» (с. 68-74).

Комплекс устройств, осуществляющий синтез частот, называют системой синтеза частот, а совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на выходе этой системы и следуют друг за другом через заданный интервал, – сеткой частот. Если система синтеза конструктивно выполнена в виде самостоятельного устройства, то ее называют синтезатором частоты (СЧ) или сетки частот (ССЧ).

В зависимости от числа ОКГ, требуемых для синтеза, различают одноопорные и многоопорные ССЧ. Сами ОКГ обычно в состав ССЧ не включаются. Современные СЧ, как правило, работают от одного ОКГ, что позволяет обеспечить когерентность выходных колебаний исходному колебанию ОКГ и вследствие этого приблизить стабильность каждой из частот формируемой сетки к стабильности частоты ОКГ.

Технические характеристики различных видов ССЧ однотипны. Основными из них являются:

• шаг сетки частот f_С, определяемый как интервал между ближайшими соседними значениями рабочих частот. Шаг сетки частот обычно удовлетворяет соотношению f_С=10^К Гц, где К – ноль или целое положительное или отрицательное число, и варьируется от долей герца до десятков и сотен килогерц. При этом значения частот, образующих сетку, описываются соотношением

,где все n_i независимо друг от друга могут принимать любые целочисленные значения от 0 до 9, а m – число значащих цифр в значении максимальной частоты на выходе синтезатора;

• минимальная f_ВЫХmin и максимальная f_ВЫХmax частоты диапазона, ширина диапазона рабочих (синтезируемых) частот f_Р=f_ВЫХmax-f_ВЫХmin и коэффициент перекрытия диапазона K_f=f_ВЫХmax/f_ВЫХmin;

• общее число фиксированных частот в сетке (емкость сетки частот) N, связанное с шагом сетки и диапазоном рабочих частот соотношением f_С=f_Р/(N-1). Значения N колеблются от 10 до 10⁵...10⁶ и выше;

• нестабильность каждой из частот дискретного множества сетки. Как правило, задают кратковременную и долговременную нестабильности частоты, выраженные либо в абсолютных (f_ВЫХ), либо в относительных (f_ВЫХ) единицах. Значения относительных нестабильностей частоты f_ВЫХ=f_ВЫХ/f_ВЫХ обычно удовлетворяют условию 10^-8<f_ВЫХ<10^-4. В тех случаях, когда относительная долговременная нестабильность частоты не должна превышать 10^-9...10^-10, вместо ОКГ используют квантовые стандарты частоты [5, гл. 27.5];

• уровень побочных колебаний D_ПОБ=10lg(P_ПОБ/P_ВЫХmax), характеризующий отношение мощности побочного колебания P_ПОБ на выходе возбудителя к пиковой полезной мощности Р_ВЫХmax на рабочей частоте. Обычно уровень побочных составляющих не должен превышать -40...-60 дБ. В отдельных случаях требуется еще более низкий уровень, например, -100 или даже -140 дБ;

• время перестройки t_ПЕР с одной рабочей частоты на другую, т.е. интервал времени между моментом окончания команды перестройки (при дистанционном управлении) или ручной установки органов управления частотой в нужное положение и моментом, после которого отклонение текущего значения рабочей частоты от требуемого не превышает допустимого значения.

Механизм формирования сетки дискретных частот реализуется с помощью фильтров и конкретного набора нелинейных элементов, выполняющих операции умножения, деления и алгебраического суммирования (транспонирования) частот. Системы синтеза частот, в которых селекцию синтезируемых частот осуществляют пассивные фильтры, не содержащие автогенераторов, относятся к классу систем пассивного синтеза частот. Системы синтеза частот, в которых фильтрацию реализуют активные фильтры в виде колец частотной (ЧАП) или фазовой автоподстройки (ФАП) частоты или колец компенсации, называют системами активного синтеза частот.

Системы синтеза обоих классов могут быть выполнены как на основе аналоговой элементной базы, так и с применением цифровых устройств. В цифровых СЧ можно реализовать те же алгоритмы образования частоты, что и в аналоговых, и различия между ними будут заключаться только в используемой элементной базе. Кроме того, при построении пассивных цифровых СЧ применяют и специфические методы синтеза, реализация которых на элементах аналоговой техники либо невозможна, либо приводит к существенному усложнению синтезатора. В частности, подобные методы синтеза положены в основу построения ССЧ с потоками двух- и многоуровневых импульсов.

Системы пассивного аналогового синтеза частот обладают следующими достоинствами. Их структура в принципе проста. Они могут включать в себя большое количество операционных узлов, инерционность которых сравнительно невелика. Поэтому время установления частоты выходных колебаний может быть уменьшено до единиц микросекунд, десятков и даже единиц наносекунд.

Использование систем пассивного цифрового синтеза, базирующихся на широком применении интегральных и больших интегральных схем, позволяет в полной мере реализовать преимущества современной цифровой элементной базы в части уменьшения массы и габаритов устройств, повышения их надежности и технологичности. Отмеченные выше достоинства аналоговых систем пассивного синтеза присущи также и большинству цифровых СЧ. Общим достоинством аналоговых и цифровых пассивных ССЧ является то, что уменьшение шага сетки частот достигается в них без особых затруднений.

К недостаткам пассивных аналоговых синтезаторов необходимо отнести худшую, по сравнению с активными СЧ, чистоту спектра выходного колебания. Это связано с многократным преобразованием частоты в тракте синтезатора и, следовательно, с появлением побочных спектральных составляющих, в том числе и попадающих в полосу полезного сигнала. Обычно уровень побочных спектральных составляющих в полосе частот f=3 кГц у пассивных СЧ составляет -60...-70 дБ и мало зависит от отстройки. У пассивных цифровых СЧ уровень побочных спектральных составляющих в ряде случаев может превышать -50...-60 дБ. Кроме того, максимальная частота сигнала на выходе синтезатора ограничивается быстродействием используемых в нем микросхем и обычно не превышает нескольких десятков мегагерц.