Пассивный цифровой сч с потоками двухуровневых импульсов

Получить любую среднюю частоту и реализовать, например, декадную установку частоты в соответствии с выражением

,

где N – число значащих десятичных разрядов в величине частоты, f_C – шаг сетки частот, а a₀, a₁, a₂,.. a_N – значения значащих разрядов, можно сложением нескольких потоков импульсов. Вариант структурной схемы такого ССЧ изображен на рис. 29.

Рис. 29. Структурная схема пассивного цифрового ССЧ с потоками двухуровневых импульсов

Исходный поток импульсов с частотой f₀ поступает на последовательность делителей частоты ДЧ10 с коэффициентом деления 10. Управляемые ключи K₁…K_N имеют по два входа и одному выходу. На входы каждого ключа подаются потоки импульсов с входа и выхода соответствующего делителя. Выходные импульсы каждого делителя служат метками времени, которые делят поток входных импульсов на пачки по десять в каждой. Счетчики, входящие в состав ключей, ориентируясь по этим меткам, ведут счет импульсов в каждой пачке и в зависимости от нужной частоты пропускают требуемое число импульсов (от одного до девяти), выбирая их таким образом, чтобы интервалы между ними как можно меньше отличались друг от друга. Все потоки импульсов складываются при помощи схемы логического сложения ИЛИ. Если каждый j-й ключ выделяет из десяти импульсов в пачке k_j импульсов, то за время, соответствующее периоду колебаний на выходе последнего делителя и равное 10^N/f₀, на выходе схемы ИЛИ появится k₁10^N-1+k₂10^N-2+…+k_N импульсов. Тогда средняя частота сигнала на выходе схемы ИЛИ может быть рассчитана по формуле

.

Включение на выходе ССЧ делителя частоты ДЧ2М с коэффициентом деления 2М позволяет сформировать импульсы со скважностью, близкой к двум, и средней частотой f_ВЫХ=f_CP/(2M).

Основным недостатком простейших двухуровневых СЧ является большая кратковременная нестабильность частоты, вызванная в общем случае неравномерностью частоты следования выходных импульсов.

Литература для самостоятельной подготовки: [4, гл. 4.6; 5(7), гл. 24; 8].

Используемые приборы и оборудование

1. Лабораторный стенд УФС04 «Пассивный цифровой синтезатор частоты».

2. Универсальный двухлучевой осциллограф или два однолучевых осциллографа.

3. Анализатор спектра.

4. Коаксиальные соединительные кабели (2 шт.).

Порядок подготовки к лабораторной работе

1. Повторить правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ (гл. 1).

2. Изучить структуру и принцип действия пассивного цифрового синтезатора частоты с потоками двухуровневых импульсов. Начертить его структурную (функциональную) схему.

3. Ознакомиться с назначением и расположением органов управления стендом (см. п. 2.4. Стенд «Пассивный цифровой синтезатор частоты»). Определить режимы измерений, обеспечиваемые встроенным мультиметром.

4. Изучить порядок выполнения лабораторной работы.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. При помощи соединительных кабелей подключить выходные каналы стенда к входным каналам осциллографа (осциллографов). Включить лабораторный стенд и осциллограф для прогрева. На экране ЖКИ мультиметра должна появиться надпись, указывающая на его общую работоспособность. Перед началом работы, нажимая кнопки управления мультиметром, ознакомиться с режимами его работы и проверить его работоспособность во всех режимах.

Переключатель ТИП ССЧ установить в положение 1.

2. Ознакомиться с работой синтезатора. Для этого, пользуясь клавиатурой управления старшей декадой, набрать частоту 30 кГц, т. е. выбрать любые 3 импульса из 10 и получить на экране осциллографа осциллограммы сигналов на выходе схемы ИЛИ и на выходе ССЧ. Обратить внимание на различия в осциллограммах и спектрограммах при различных способах набора заданной частоты.

Установить частоту выходного сигнала ССЧ равной 20 кГц, время развертки осциллографа 10 мкс и добиться устойчивого изображения на экране осциллографа двух периодов колебаний ССЧ (20 импульсов на выходе схемы ИЛИ). Последовательно увеличивая частоту до 29 кГц с шагом 1 кГц, наблюдать изменение осциллограмм сигналов на выходе схемы ИЛИ и на выходе ССЧ.

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 положениях импульсов измерить флуктуации периода выходных колебаний Т=Т_max-T_min и определить по соотношению (44) относительный уровень амплитуды максимальной побочной составляющей.

Измерение флуктуации периода можно выполнять с помощью частотомера или осциллографа. Для определения максимального Т_max и минимального T_min значений периода с помощью частотомера (мультиметра) необходимо в режиме измерения периода при N=1 нажать кнопку запуска частотомера «Т» и некоторое время удерживать ее в нажатом состоянии.

Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра. Определить, при каком законе чередования коэффициентов деления (т.е. при каком порядке следования импульсов) синтезатор будет оптимальным, а Т приобретет минимальное значение равное 1/f_ОКГ.

4. 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 Т_i. Построить зависимость относительной нестабильности частоты от времени усреднения, используя выражение

,

где Т_i=T_СР-Т_i и .

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

5. 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 Т и вычислить при помощи соотношения (44) амплитуду максимальной побочной составляющей. Сравнить результаты расчета с показаниями анализатора спектра.

Измерения проводятся для следующих случаев: а) импульсы в старшей и младшей декадах расположены наихудшим образом; б) импульсы в младшей декаде расположены наихудшим образом, в старшей – наилучшим образом; в) импульсы в младшей декаде расположены наилучшим образом, в старшей – наихудшим образом; г) импульсы в старшей и младшей декадах расположены наилучшим образом.

6. Исследовать оптимальный двухуровневый синтезатор. Для этого включить схему многоуровневого синтезатора, переключив ТИП ССЧ в положение 2. Установить число дискретов амплитуды равным 256, число дискретов фазы – 2, а частоту выходных колебаний равной 30 кГц.

6.1. С помощью частотомера или осциллографа определить флуктуации периода выходного колебания Т. Вычислить максимальный уровень побочных спектральных составляющих при помощи соотношения (44) и сравнить с показаниями анализатора спектра.

6.2. Сравнить полученные результаты с аналогичными характеристиками двухдекадного оптимального синтезатора (вариант расположения импульсов «г» в п. 5) 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.

6.3. Изменяя частоту выходных колебаний от 11 до 91 кГц через 10 кГц, исследовать влияние абсолютного значения частоты на нестабильность периода колебаний. Построить график зависимости.