L2 Класифікація синтезаторів частот з іфапч

Синтезатори частот, як правило, не є функціонально само­стійними пристроями. Вони входять до складу приймальної, пере­давальної, вимірювальної та іншої апаратури і використовуються ' для гетеродинування коливань, збудження підсилювачів потужності, а також як давачі еталонних частот і т.і. Технічні характеристики СЧ, найважливіші з яких приведені в [13, 19], впливають вирішальним чи­ном на методи їх побудови.

Відмінність вимог до синтезаторів, що входять до складу тієї або іншої радіоапаратури, а також безперервне вдосконалення схемотехніки і елементної бази привели до створення численних структур СЧ з ІФАПЧ. Найбільш простим є однокільцевий синтеза­тор, структурна схема якого приведена на рис. 1.1. До основних переваг таких СЧ відносяться: простота формування дискретної сі­тки частот; відсутність смугових фільтрів, змішувачів і формувачів опорних частот, коливання яких є додатковим джерелом утворення побічних складових в спектрі вихідного сигналу СЧ.

Слід підкреслити, що вказані характеристики реалізовуються при хороших габаритно-масових показниках, малому енергоспо­живанні, високій надійності і технологічності. Однак, нарівні з без­перечними перевагами, однокільцевим СЧ властиві й недоліки. По- перше, важко забезпечити високу швидкодію при синтезі частот з малим кроком Fm. По-друге, усунути протиріччя між вимогою по фільтрації внутрішніх і зовнішніх перешкод, придушенням ЗОВНІШНІХ

перешкод та швидкодії і т.І.

Нижче в основному досліджуються базові однокільцеві струк­тури СЧ, оскільки при цьому вдається виявити основні особливості СЧ класу, що розглядається. Для аналізу багатокільцевих ІФАПЧ ви­користовуються ті ж методи дослідження.

Відома велика кількість методів поліпшення характеристик од- нокільцевих синтезаторів. Класифікуємо їх по ряду ознак. Почнемо з методів розширення смуги захоплення при збереженні високої фільтруючої здатності ІФАПЧ в усталеному режимі (рис. 1.3).

Ці методи можна розбити на дві групи: основані на примусо­вому зменшенні початкової розстройки КГ до значення, при якому ІФАПЧ входить в режим синхронізму [17]; основані на розширенні смуги захоплення внаслідок безпосередньої зміни характеристик каналу управління кільця ІФАПЧ в режимі захоплення [11].

Найпростішим методом, що відноситься до першої групи, є попереднє встановлення f_Kr поблизу необхідного номінального зна­чення (рис.1.4).

Для цього в схему вводиться цифро-аналоговий перетворю­вач (ЦАП) і дешифратор (ДШ). Весь діапазон перебудови КГ ді­литься на ряд піддіапазонів. Попереднє встановлення f_Kr проводить­ся подачею на другий вхід суматора напруг (Зм) напруги е_КЄр2 з ви-

• ходу ЦАП,

Рисунок 1.3 - Класифікація методів розширення смуги захвату

Рисунок 1.4 - Синтезатор з попереднім встановленням КГ

Точне встановлення f_Kr, тобто режим синхронізму, здійснюєть­ся потім системою ІФАПЧ. Мінімальне число піддіапазонів визнача­ється з необхідності забезпечення надійного захоплення в межах кожного піддіапазону. При необхідності використання ФНЧ з біль­шою інерційністю має бути підвищена точність попереднього вста­новлення f_Kr, оскільки Af₃ при цьому різко звужується. Однак в реа­льних умовах внаслідок ряду дестабілізуючих чинників власні відхи­лення частоти можуть бути значними, що знижує ефективність роз­глянутого методу. Розвитком останнього є введення пошуку частоти.

„ При цьому встановлення f_Kr проводиться автоматичним вибором керуючої напруги Єке_Р2, при якій в системі ІФАПЧ відбувається захват. Для визначення моменту входження системи ІФАПЧ у вказаний ре­жим в схему вводиться давач частотного розузгодження (ДЧР) (рис. 1.5). Штриховими лініями позначенні інші можливі варіанти під­ключення ДЧР.

Для формування закону зміни е_кеР2 вмикається пристрій фо­рмування коду (ПФК). В найпростішому випадку в якості ПФК може бути використаний реверсивний лічильник, що змінює код керу­вання ЦАП, а звідси, і е_кеР2 за лінійним законом з деякою тактовою частотою f_T. максимальний час пошуку в даному випадку tn.MaKC=2ⁿ/fr, де П - розрядність ЦАП.

Слід відмітити, що подачу e<e_P2 (на рис. 1.3 і рис. 1.4) можливо здійснити на вхід ФНЧ. Для цього суматор напруг має бути ввімкне­ний між ІФД, що використовується у якості дискримінатора, та фі­льтром, В цьому випадку ФНЧ проводить додаткову фільтрацію е_Ке_Р2, що покращує спектральні характеристики синтезатора. Існують більш ефективні алгоритми пошуку з точки зору підвищення швид­кодії СЧ [6].

Ефективним способом розширення смуги захвату є викорис­тання ІЧФД. Це дозволяє при мінімальних апаратних затратах за-

безпечити широкодіапазонну перебудову f_Kr при збереженні висо­кої якості вихідного сигналу в усталеному режимі. Відмінність ІЧФД від звичайного ІФД основана на тому, що у ньому присутні два ре­жими порівняння: за фазою і за частотою. Перший є основним і при цьому ІЧФД діє аналогічно ІФД. У частотному режимі роботи періодичність характеристики дискримінатора, властива ІФД, усу­вається та інформація, яка видається ІЧФД, служить тільки для інди­кації наявності частотного розузгодження між вхідними сигналами e₀(t) і e_c(t) та його знаку. Критерієм зміни режиму роботи ІЧФД, як правило, є порушення черговості потрапляння вхідних імпульсів дискримінатора [6].

Рисунок 1.5 - Синтезатор з пристроєм пошуку

Одним з методів другої групи є включення в КУ нелінійного фі­льтра нижніх частот (НФ). Найпростішим варіантом є інтегруючий RC-фільтр (рис. 1.6).

Як відомо, його властивості визначаються сталою часу T=RC. У даному випадку останню можна змінювати в процесі роботи ІФАПЧ в залежності від рівня сигналу, що потрапляє на вхід фільтра. В режимі захвату змінна напруга з виходу ІФД відкриває діоди VD1 і VD2, при цьому замикається R, що призводить до зменшення інер- ційності фільтра і, відповідно, до розширення Af₃. Природно, що рі­вень змінної напруги на вході НФ у режимі захвату має бути доста­тнім для надійного відкриття діодів. У стаціонарному режимі ІФАПЧ змінна напруга на вході фільтра мала, діоди закриті І фільтр ефек­тивно послаблює вхідні завади, тому що інерційність НФ у цьому випадку велика. Слід відмітити, що застосування НФ у якості єдиної ланки фільтрації допустимо лише тоді, коли в режимі синхронізму

Прикладом нелінійного фільтра, що комутується (КФ), може служити інтегруюча ланка, в якій паралельно резистору R ввімкне­ний ключ Кл (рис. 1.7). Команда на замикання останнього подається при перемиканні вихідних частот синтезатора та утримується до досягнення системою ІФАПЧ стаціонарного стану. Основною зада­чею, що вирішується при використанні КФ, є боротьба з комутацій­ною завадою, яка утворюється на виході фільтра.

і

сигнал на виході ІФД має відносно невеликі пульсації. Інакше НФ може бути використаний як додатковий фільтр до основного ФНЧ.

Рисунок 1.6 - Найпростіший нелінійний фільтр

— 0

с]_ Єф(0

Команда

керування

Кл

R

о

Єд(‘)

е_ф(*)

і

Рисунок 1.7 - Найпростіший фільтр, що комутується

Розширити смугу захвату ІФАПЧ можна, змінивши коефіцієнт підсилення системи. На рис. 1.8 наведена структурна схема синте­затора, в якій для досягнення цього ефекту в коло керування КГ вве­дений підсилювач, що регулюється (РП).

Такий самий підсилювач може бути введений між виходом дискримінатора і виходом ФНЧ з метою зміни коефіцієнта переда­чі детектора в перехідному режимі. Керування коефіцієнтом під­силення РП може бути виконане тими ж способами, що і в НФ та КФ.

З розглянутою задачею послаблення в СЧ протиріч між ступе­нем фільтрації завад та розширенням смуги захвату тісно пов’язана проблема підвищення швидкодії. Остання може вирішу­ватись методами двох класів [ЗО]: підвищенням частоти порівняння to (клас І) і використанням різноманітних технічних рішень при за­даній fo (клас II) (рис.1.9).

Методи класу І. Реалізуються при ввімкненні ПДЗКД замість ПЗКД. Застосування ПДЗКД суттєво підвищує fo при заданому кроці F*. Однак розмовляти про підвищення динамічних характеристик синтезатора можливо лише в тому випадку, коли втілені засоби по зниженню так званих "завад дрібності”. Частоти останніх відстоять від f_Kr на величину, що кратна Fu<fo.

Рисунок 1.8 - Синтезатор зі змінним коефіцієнтом підси­лення в колі керування КГ

Рисунок 1.9 - Класифікація підвищення швидкодії синтезаторів з

ІФАПЧ

Іншим способом підвищення швидкодії в рамках методів кла­су І є використання алгоритмів апроксимації номінальних значень fxr-н. В цьому випадку замість ДФКД вводиться ПЗКД2 з коефіцієнтом ділення R_Ä (рис. 1.10). Тоді справедлива рівність

fia.H ⁼ forN/RA. ( 1 .1 )

Код ДЛЯ f_K,

Рисунок 1.10- Синтезатор з апроксимацією значень вихідних час­тот

Ідея алгоритму полягає в підборі таких N і R_A, при яких f_Kr._H, що визначається з (1.3), була б достатньо близькою до потрібної. Вели­чини N і R_a (при заданій f_or) мають бути суттєво менше коефіцієнтів ділення ДФКД і ПЗКД в звичайному синтезаторі без апроксимації (див.рис. 1.1 ) для отримання заданого кроку F*. Підбір необхідних N і R_a може бути виконаний за будь-яким алгоритмом, наприклад, широко використовується для даних цілей алгоритм ланкових дро­бів [14]. Керування ПЗКД1 і ПЗКД2 може виконуватись від обчислю­вального пристрою, що визначає N і R_À при надходженні команди на зміну f_Kr.H, або за допомогою постійного запам’ятовуючого при­строю (ПЗП), що зберігає в своїй пам’яті завчасно записані коди N і Ra. В ПЄрШОМу ВИПаДКУ ДО Часу Івст встановлення частоти необхідно додати тривалість обчислення значень N і R_A.

Використання алгоритмів апроксимації дозволяє суттєво під­вищити швидкодію СЧ, однак приводить до непостійності F_K, що на­кладає відповідні обмеження на область застосування таких синте­заторів. Окрім того, реалізуюча алгоритм система ІФАПЧ працює із змінною в широких межах частотою порівняння f₀, що робить важ­чою оптимізацію параметрів кола регулювання.

Для отримання малого значення F« при високій частоті f₀ ши­роко застосовуються різноманітні способи трансформації кроку сітки частот. Найбільш простим з них є використання додаткового

подільника частоти на n на виході СЧ {рис. 1.11).

Рисунок 1.11- Синтезатор з подільником частоти на виході КГ

Вихідна частота f_Bnx відрізняється тут від f«r в n раз, тобто

fenx = Wn = Nfo/n. (1.2)

З співвідношення ( 1.2) випливає, що F_K = Wn, тобто частота по­рівняння в n раз перебільшує крок сітки. Недоліком розглянутого рішення є зменшення вихідної частоти та звуження в n разів діапа­зону СЧ.

Більш складним, але розповсюдженим способом трансфо­рмації F_K в рамках методу класу І є побудова синтезаторів на ос­нові багатокільцевої ІФАПЧ (рис.1.12).

f|ff2

Код для N₂

Рисунок 1.12-Двокільцевий синтезатор з ІФАПЧ Методи класу II будемо розглядати на прикладі рис.1.2. Зме-

ншення початкової похибки може бути досягнуто введенням швид­кого пошуку, а також шляхом попереднього встановлення частоти f_Kr, що близька до свого номінального значення. Приклади реаліза­ції вказаних способів наведені вище (див.рис.1.7, 1.8). В якості при­строю пошуку використовуються швидкодіючі системи імпульсно- частотного автопідстроювання і безфільтрові кола ІФАПЧ. Для вті­лення швидкого пошуку застосовуються також спеціальні типи ІЧФД [6]. Ефективність різних систем визначається точністю встановлення частоти по закінченні пошуку та тривалістю останнього [1, 16].

Для покращення швидкодії СЧ з попереднім встановленням та пошуком можуть бути використані принципи оптимального керу­вання. Об'єктом керування при цьому є послідовно з'єднані ФНЧ та КГ [15, 18].

Методи підвищення швидкодії наступної групи в рамках класу II базується на зміні характеристик КК кільця ІФАПЧ. Тут задача може бути вирішена з допомогою ІФД з особливою нелінійною формою фазової характеристики на ділянці від -2тт до 2тт. Використання дискримінатора такого типу можливе тільки в системі ІФАПЧ з аста­тизмом по фазі. У таких систем в режимі синхронізму різниця фаз вхідних імпульсів дискримінатора ср_е дорівнює нулю.

Остання група методів підвищення швидкодії, що відносяться

• до класу II, базується на створенні відповідних фазових співвідно­шень при замиканні ІФАПЧ [2]. Відомо, що на динаміку системи суттєво впливає початкова різниця фаз фен імпульсних сигналів e_D(t)

і e_c(t), що потрапляють на вхід дискримінатора. Це пов’язане з тим, що при довільній ф_ен вихідний сигнал дискримінатора e_A(t) може значно збільшити частотну похибку КГ, що приводить до збільшення тривалості встановлення частоти. Особливо це характерне для сис­тем з ІЧФД. Управління ф_Єн може виконуватись шляхом блокування входів встановлення (переводом в нульовий стан) та зміни коефіці­єнтів ділення ПЗКД і ДФКД. Слід відмітити, що найбільш широкі мож­ливості вказаних методів реалізуються в системах ІФАПЧ з астатиз­мом по фазі, тобто при ф_е = 0.