16.7. Синтезаторы частот

Кварцевые и молекулярные генераторы обеспечивают высокую стабильность частоты, но если и могут перестраиваться по частоте, то с большими трудностями и в очень малых пределах. Генераторы с LC-резонаторами легко перестраиваются изменением емкости конденсатора, но не обеспечивают стабильности, требования к которой предъявляют современные радиоэлектронные системы. Для решения задач стабилизации при перестройке частоты генерируемых колебаний в диапазоне применяются специальные устройства, называемые синтезаторами частот. При создании синтезаторов используют довольно много технических решений. Выбор конкретной схемы построения синтезатора зависит от множества условий: от средней частоты диапазона, от шага перестройки (дискретности установки частоты), от требуемой стабильности частоты и ширины спектральной линии выходного формируемого колебания.

Синтезатор прямого синтеза (пассивный синтезатор) содержит набор умножителей и делителей частоты колебания, формируемого стабильным задающим генератором, как на рис.16.11.

Рис.16.11. Структурная схема пассивного синтезатора частот

На схеме рис.16.11 значками n. и :mобозначены делители и умножители частоты. Как видно, частота выходного сигнала связанаfс частотой входногоf₀дробно-кратным соотношением

.

Переключая коэффициенты деления и умножения можно, очевидно, сформировать колебание теоретически любой частоты f, стабильность которой будет, тем не менее, такой же, как у частоты сигнала опорного генератора.

Уровень сигналов высших гармоник быстро падает с ростом их номера. Поэтому при практическом выполнении умножителей частоты гармонических колебаний коэффициент умножения не удается сделать очень большим. При создании смесителей и фильтров также стремятся выбирать соотношения частот смешиваемых колебаний не более 10. Все это ограничивает возможности пассивного синтеза.

Более высокое качество синтеза обеспечивается устройствами с управляемым делителем в кольце фазовой автоподстройки частоты. Работа такого синтезатора иллюстрируется схемой рис. 16.12.

Рис.16.12. Синтезатор с управляемым делителем частоты в петле обратной связи

Частота fколебаний, формируемых генератором, управляемым напряжением (ГУН), делится в целое число разN. Коэффициент деления изменяется внешними командами. Например, в качестве такого делителя может использоваться триггерный счетчик. По цепи обратной связи частота ГУН подстраивается под значение. Иначе говоря, частота выходного колебания может, по командам внешнего управления, перестраивается с дискретомf=f₀, сохраняя стабильность частоты опорного генератора.

Применяются и другие схемы построения синтезаторов, позволяющие перестраивать частоту с очень мелким дискретом в сотые и тысячные доли герца практически и с диапазоном перестройки.

16.8. Генерирование случайных сигналов

Для создания помех системами радиоэлектронной борьбы, для испытаний радиоэлектронных систем на помехоустойчивость и для некоторых других применений создают и используют генераторы случайных, шумовых сигналов. Обычно такие генераторы строятся по схеме с независимым возбуждением. Главная особенность – в первичном источнике шума.

Аналоговые первичные источники шумов строятся на основе использования двух основных эффектов. Это хаотическое тепловое движение свободных носителе зарядов в проводниках и дробовый эффект в электронных и полупроводниковых приборах.

Вследствие хаотического теплового движения электронов в проводниках возникает тепловой шум, мощность (дисперсия) которого описывается формулой Найквиста:

,

где – постоянная Больцмана;Т– абсолютная температура иR– сопротивление проводника;f– полоса частот, в которой наблюдается шум и измеряется его дисперсия.

Как можно видеть из , мощность шума на сопротивлениях реальных номиналов и при обычных температурах весьма мала и для практического использования требует усиления. При включении шумящего сопротивления в цепь усилителя, как на рис. 16.13, мощность шума, отдаваемая в нагрузку (на вход усилителя) будет, максимальной при равенстве этого сопротивления входному сопротивлению усилителя R=R_вх. При таком согласовании шумовое напряжение на нагрузкеR_вхбудет в два, а квадрат напряжения – в четыре раза меньше ЭДС шума. Поэтому мощность шума, приводимого ко входу усилителя, составит

.

Рис. 16.13. Генератор на основе источника теплового шума

Именно эта мощность усиливается в раз (если– коэффициент усиления по напряжению).

Из следует, что мощность шума, создаваемого согласованным первичным источником, не зависит от его сопротивления и определяется только температурой и шириной спектра. Спектральная плотность теплового шума, равномерная во всей полосе f, равна, очевидно,

.

При необходимости в схеме рис .16.13 используют резонансные усилители, чтобы получить узкополосный шум, или полосовые усилители для формирования шума со спектром в заданном частотном диапазоне.

Дробовый шум в электронных и полупроводниковых приборах обуславливается неравномерностью излучением электронов катодом или рекомбинаций носителей в зоне p-nперехода. Самый высокий уровень шумов наблюдается в полупроводниковых приборах в режиме зарождения восстанавливаемого (зеннеровского) пробоя. В этом режиме возникают так называемые микроплазмы – локальные участки с резко возросшими уровнями концентрации носителей. Микромплзмы хаотически возникают и рассасываются, резко и случайно изменяя сопротивлениеp-nперехода. Схемы, использующие этот эффект, выполняются на основе стабилитронов, специально создаваемых для работы в условиях лавинного пробоя, как на рис.16.14.

Рис. 15.14. Генератор шума на стабилитроне

Статистические характеристики генератора существенно зависят от режима стабилитрона, который обуславливается подбором сопротивления R.

Для генерации шума используют также специальные электронные и ионные приборы. Очень хорошим, мощным генератором шума с равномерной спектральной плотностью в довольно широкой полосе служит фотоумножитель, у которого дробовый эффект повторяется и умножается при взаимодействии электронного пучка с кождым динодом.

Цифровыепервичные источники шума строятся на основе псевдошумовых генераторов – таких устройств, в которых детерминированные процессы обеспечивают такие характеристики, которые удовлетворяют тестам на случайность. Схема генератора шума с равномерным распределением вероятностей представлена на рис.16.15.

Рис.16.15. Псевдошумовой генератор колебания с равномерным законом распределения

Генератор представляет собой регистр сдвига. Начальное состояние регистра может быть любым, кроме одного единственного – когда все триггеры в состоянии 0. Каждый тактовый импульс, поданный на вход F_т, устанавливает триггерT_iв состояние предыдущегоT_i-1. Поэтому в каждом такте в регистре оказывается записаноn-разрядное двоичное число, которое меняется, сдвигаясь циклически. При соответствующей организации обратных связей через сумматор по модулю 2 состояния регистра повторяются черезM=2ⁿ-1 тактов. ВсеМчисел, составляющие массив, хорошо соответствуют тестам на случайность. Выходной преобразователь цифра-аналог (ЦАП) преобразует равномерно распределенные псевдослучайные числа в аналоговую форму. Поэтому на выходе формируется случайный процесс, принимающий значения из интервала [0;x_max] с дискретомx_max/n.

Вводя в выходное колебание постоянное смещение, можно изменять постоянную составляющую выходного колебания.

Строго говоря, сформированное таким образом колебание не может считаться случайным: оно будет периодическим с периодом, равным M=2ⁿ-1 периодам тактового сигнала. Но при увеличении длины регистра сдвига период очень быстро, экспоненциально, растет.

Для формирования шумового колебания с нормальным распределением может быть применена модифицированная схема рис.16.16. В ней преобразователь цифра-аналог заменен линейным сумматором. Поскольку логические сигналы с выходов триггеров регистра сдвига могут считаться независимыми, сумма их при достаточно большом n, имеет нормальный закон распределения вероятностей. Подавая постоянное смещение на сумматор, можно управлять средним значением, а изменяя коэффициент усиления сумматора – изменять среднеквадратическое выходной величины. Перестройка тактовой частоты приводит к изменению ширины спектра выходного колебания. Эта ширина спектра примерно равна тактовой частоте.

Рис.16.16. Псевдошумовой генератор нормального шума