Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза - [3]

В пользу любого из вариантов однопетлевого синтезатора имеется тот факт, что в спектре помех на выходе ФД присутствуют только помехи с частотой сравнения и их гармоники, и нет никаких комбинаций других частот, сопутствующих постоянной составляющей. Это упрощает фильтрацию помех.

Некоторого улучшения разрешения по частоте можно достичь с использованием дробных коэффициентов R и N в расчёте на фильтрацию дробных компонентов в ФАПЧ. Но при этом разрядность дробей не должна быть высокой, чтобы сужение полосы ФАПЧ для их фильтрации не приводило к существенному снижению быстродействия синтезатора.

1.2. Схема со смесителем частоты

Для улучшения спектральных характеристик однопетлевого синтезатора можно использовать смеситель частоты (СМ), включенный в цепь обратной связи, как это показано на рисунке 2. На один из входов смесителя подаётся умноженная в М раз опорная частота Fr. Сигнал разностной частоты Fc-MFr отфильтровывается полосовым фильтром (ПФ) и поступает на вход ДПКД с коэффициентом деления N.

Рис.2. Схема со смесителем частоты в петле ФАПЧ

В соответствии с представленной схемой частотное образование выглядит как

.F_C= (N/R+M) F_r.

Если положить, что Fr=10 МГц, R=1000, М=60 и N=10000÷19999, то приведенная формула даёт результат Fc=700÷799,99 МГц, Шаг сетки остаётся прежним, то есть dF=10 кГц. Но в данной схеме на порядок уменьшился коэффициент деления в петле ФАПЧ, а это значит, что во столько же раз снизился коэффициент усиления помех, приведенных ко входу фазового детектора. В этом и состоит главное достоинство схемы. Также важно и то, что ДПКД в этой схеме работает на пониженной частоте, из-за чего он дешевле и меньше потребляет от источника питания. Недостаток такого технического решения состоит в сравнительной сложности схемы и возможности образования на её выходе дополнительных помех комбинационного характера, получающихся в смесителе и проходящих далее по петле в цепь управления частотой ГУН. Поэтому требуется тщательная проработка схемы и конструкции узлов смесителя и умножителя частоты.

1.3. Схема Толлефсона

Заслуживает внимания структура, предложенная Толлефсоном [23] и показанная на рисунке 3. Это две петли фазовой автоподстройки частоты: ФАПЧ-1 и ФАПЧ-2, связанные друг с другом через смеситель СМ. Каждая из них содержит ГУН, ДПКД, ФД и фильтр нижних частот (ФНЧ), обозначенные номерами соответствующих ФАПЧ. Частоты сравнения FR1 и FR2 у них разные, но получены от одного опорного источника частоты Fr с помощью соответствующих делителей частоты ДЧ-1 и ДЧ-2 с коэффициентами деления NR1 и NR2 соответственно.

Для облегчения понимания как схема работает, на ней приведен числовой пример её параметров. При частоте опорного генератора, равной Fr=990 кГц, частоты сравнения FR1 и FR2 в соответствующих ФАПЧ, получаемые с помощью делителей частоты ДЧ-1 и ДЧ-2 с соответствующими коэффициентами NR1 и NR2, равны FR1=990/99=10 кГц и FR2=990/100=9,9 кГц. При этом на выходе синтезатора обеспечивается шаг сетки частот, равный 100 Гц, то есть равный разнице между частотами сравнения FR1 и FR2. Покажем это на числовом примере.

Рис.3. Схема Толлефсона

Исходя из приведенной структуры синтезатора, частота на его выходе может быть вычислена по формуле

F_C=FR1×N1-FR2×N2

Тогда нижняя частота диапазона синтезатора, получаемая при коэффициентах N1=6451 и N2=1400, равна 50,650 МГц. Для получения следующей частоты диапазона необходимо одновременно сдвинуть на единицу коэффициенты N1 и N2 (таков алгоритм управления этими коэффициентами), и в результате частота сигнала окажется равной 50,6501 МГц, что на 100 Гц выше предыдущей. И далее с каждым добавлением единиц в коэффициентах N1 и N2 по указанному алгоритму добавляется 10 кГц к частоте сигнала за счёт действия первой петли и вычитается 9,9 кГц за счёт действия второй петли, и в результате частота сигнала увеличивается с шагом 100 Гц. По приведенной формуле нетрудно вычислить и верхнюю частоту диапазона. Она получается при коэффициентах N1=9509 и N2=1499 и равна 80,2499 МГц.

Достоинство схемы состоит в возможности получать мелкий шаг сетки частот при сравнительно высоких частотах сравнения. Однако эти возможности ограничены сложностью получения двух частот от одного опорного источника, когда эти частоты достаточно высоки, а разница между ними мала. Это чтобы одновременно обеспечить высокую спектральную чистоту синтезируемого сигнала и высокое быстродействие синтезатора при высокой разрешающей способности по частоте. Например, при желании иметь частоты сравнения порядка 1 МГц и шаг сетки 1 Гц, надо получить частоты 1 МГц и 1,000001 МГц, что весьма затруднительно.

Следует также отметить, что схема Толлефсона фактически вытекает из способа, предложенного Денисовым Г. В. на 11 лет ранее [24].

1.4. Схема Мартина

Интересна также идея Мартина [25], схематически показанная на рисунке 4.

Рис.4. Схема Мартина

Генератор, управляемый напряжением, ГУН1, охвачен широкополосной петлёй ФАПЧ c ДПКД1, имеющим сравнительно малые коэффициенты деления. В петлю входят также фазовый детектор ФД-1 и фильтр нижних частот ФНЧ-1. Опорная частота для этой петли берётся от ГУН2, охваченного второй, узкополосной петлёй ФАПЧ с ДПКД2 со сравнительно большими коэффициентами деления и довольно низкой частотой сравнения. Во вторую петлю входят также фазовый детектор ФД-2 и фильтр нижних частот ФНЧ-2. Но назвать вторую петлю отдельной, самостоятельной нельзя, поскольку ДПКД2 работает от того же ГУН1 и вторая петля замыкается через первую петлю. Поэтому некоторые отечественные разработчики называют такую структуру как «полтора кольца», а иногда и «тандемом». Оба ДПКД сопряжены так, что старшие разряды в них переключаются одновременно. На рисунке показан также пример получения в такой схеме октавного диапазона.