Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

F

=F

/N=AF

/Q.

Для компенсации помех дробности здесь используется ЦАП. В нём остатки от переполнения аккумулятора преобразовываются к аналоговому виду, и этот процесс складывается в сумматоре в противофазе и с соответствующим весом с выходным сигналом фазового детектора, благодаря чему помеха дробности устраняется. Фильтр ФНЧ служит для подавления компонентов с частотой Fc и их гармоник, а также остатков высокочастотных составляющих помехи дробности.

Уровень помех дробности на выходе синтезатора зависит как от точности ЦАП, так и от точности суммирования сигналов в сумматоре. Правда, весовые соотношения складываемых сигналов постоянны, и это облегчает достижение более высокого уровня компенсации, чем в схеме Бреймера-Джиллета и в схеме с интегратором, рассмотренных выше.

Также важно заметить, что частота Fc сигнала ниже опорной частоты Fr. Чтобы поднять частотный диапазон сигнала вверх, можно дополнительно включить делитель частоты в сигнальный тракт. Если его коэффициент деления равен M, то получим частоту сигнала Fc, равную

F

=F

/N=AMF

/Q.

Но при этом, естественно, помехи дробности в спектре сигнала возрастут на 20lgM дБ.

Возможен и такой вариант, когда аккумулятор в роли ДДПКД, включен в сигнальный тракт. Но тогда потребуются средства для управления весовыми соотношениями в сумматоре, как это имело место в схеме с интегратором и в схеме Бреймера-Джиллета. Это неизбежно приведёт к снижению суммарной точности компенсации, то есть к ухудшению спектральной чистоты сигнала.

3.5. Вариант с импульсным ФД типа «выборка-хранение»

Схема варианта представлена на рисунке 18 [45]. Она содержит последовательно включенные аккумулятор, ЦАП, фильтр нижних частот и импульсный детектор типа «выборка-хранение» Её работа поясняется с помощью рисунка 19.

Рис.18. Вариант с ФД типа «выборка-хранение»

Рис.19. Временные диаграммы, поясняющие работу детектора на рисунке 18.

Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. В качестве примера, он содержит 4 двоичных разряда, и код на его входе равен R=5. Импульсный, ступенчатый процесс в аккумуляторе и, соответственно, пропорциональное ему напряжение на выходе ЦАП включают в себя две пилообразные компоненты: непериодическую G и периодическую H с опорной частотой Fr. Высокочастотная компонента H подавляется фильтром нижних частот, а низкочастотная компонента G проходит на аналоговый вход детектора типа «выборка-хранение».

На импульсный вход детектора подаются импульсы сигнальной частоты Fc, производящие выборки из компоненты G. Эта компонента обладает тем свойством, что при состоянии синхронизма в петле ФАПЧ, значение выборок, от импульса к импульсу, остаётся постоянным, и таким образом формируется напряжение E

для управления частотой ГУН.

При своей относительной простоте, схема имеет существенный недостаток. Выделить компоненту G с желаемой точностью можно лишь при значительном отношении частот Fr/Fc, чтобы в нужной степени подавить компоненту H, не внося существенных искажений в компоненту G. В противном случае уровень помех дробности в спектре сигнала может оказаться недопустимо высоким. Поэтому схема может быть использована в диапазоне довольно низких частот сигнала, когда пилообразная компонента G не искажается фильтром нижних частот в верхней части его частотного диапазона.

Нетрудно заметить, что эту схему можно использовать и как синтезатор прямого типа. Если после фильтра включить пороговый элемент, то на его выходе получим импульсы синтезируемой частоты Fc=RFr/Q с шагом сетки частот, равным dF=Fr/Q, где Q – ёмкость аккумулятора. При этом отмеченный выше недостаток остаётся в силе.

3.6. Схема Никифорова

Недостаток предыдущего варианта устраняется в схеме, предложенной Никифоровым В. И. [46; 47] и показанной на рисунке 20.

Рис.20 Схема Никифорова

Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 21.

Рис.21. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 20

Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. Чтобы избежать излишней сложности в описании работы схемы, здесь выбраны небольшие значения как его ёмкости Q=16 так и накапливаемого им числа R=3. Импульс переполнения аккумулятора поступает на формирователь импульсов, синхронизируемый частотой Fr. Цифровая последовательность с выхода аккумулятора подаётся на один из входов мультиплексора, а на другой вход последнего – код R.

Мультиплексор переключается импульсом с одного из выходов формирователя импульсов таким образом, что на выходе мультиплексора с каждым переполнением аккумулятора чередуются код R и остаток H в аккумуляторе как результат его переполнения. При этом время действия остатка удваивается относительно периода T

=1/Fr. Далее цифровая последовательность с выхода мультиплексора преобразовывается ЦАП в аналоговый эквивалент и поступает на интегрирующее звено, которое может быть выполнено на основе операционного усилителя. Элемент разряда служит для сброса заряда в интегрирующем звене во время переполнения аккумулятора. Для этого используется управляющий импульс с другого выхода формирователя импульсов. Длительность этого импульса равна T

=2/Fr. За это время интегрирующее звено должно быть полностью очищенным от заряда.

На диаграммах рисунка 21 показано: A) – процесс в аккумуляторе; B) – импульс управления разрядом интегрирующего звена; C) – импульс управления мультиплексором; D) – текущие значения кода на выходе мультиплексора и пропорциональные им аналоговые величины на выходе ЦАП; E) – напряжение на выходе интегрирующего звена.

Следует обратить внимание на характерные особенности диаграммы E в моменты времени, отмеченные пронумерованными точками на оси абсцисс. Точка 0 – интегрирующее звено полностью разряжено. Точка 1 – мультиплексор включил на входе ЦАП число R=3, и на интервале времени до точки 2 звено заряжается по линейному закону со скоростью, определяемой эквивалентом этого числа на выходе ЦАП. Точка 2 – аккумулятор переполнился; импульс «B» сбросил заряд интегрирующего звена; импульс «C» включил через мультиплексор остаток от переполнения аккумулятора. Точка 3 – интегрирующее звено заряжается со скоростью, пропорциональной преобразованной в ЦАП величине остатка H=2. Точка 4 – снова включен код R=3, и интегрирующее звено в течение интервала до точки 5 заряжается с соответствующей, упомянутой выше, скоростью. От точки 5 до точки 6 повторяются операции как они были на интервале 2?3 (от точки 2 до точки 3). Точка 6 – остаток изменился на H=1, и на интервале 6?7 скорость заряда интегрирующего звена уменьшилась в 2 раза по сравнению с интервалом 3?4. На интервале 7?8 заряд интегрирующего звена снова происходит в соответствии с кодом R=3, и далее процесс повторяется.

Как показано на рисунке 21, если брать выборки функции E через некоторые одинаковые интервалы времени T

в области значений функции от U

до U

, где она строго линейна, то значения E

выборок оказываются неизменными. U

 – это значение функции, соответствующее точке 4, то есть когда остаток и накопленный в интегрирующем звене заряд во время действия этого остатка минимальны. U

 – это значение функции, соответствующее точке 8, то есть когда её максимальное значение на интервале от переполнения аккумулятора до его очередного переполнения максимально среди всех возможных случаев для выбранных параметров R и Q.

Период упомянутых выборок равен T

=QT

/R, то есть их частота равна RFr/Q. Благодаря этому, если сигнал с выхода интегрирующего звена подать на аналоговый вход импульсно-фазового детектора типа «выборка-хранение», а другой его вход подключить к импульсному выходу ГУН, включенному в петлю ФАПЧ (для этого используется выход 1 на рисунке 20), то его частота Fc будет приведена, с помощью управляющего напряжения E

, в соответствие с опорной частотой через полученное выше соотношение частот. Шаг сетки частот при этом равен dF=Fr/Q. Рабочая область статической характеристики ФД, простирающаяся от U

до U

, достаточно широкая для успешной работы системы ФАПЧ.

Понятно, что в случае реального интегратора, из-за его несовершенства, возникает искажение процесса Е на его выходе, что приводит к появлению помех дробности, обязанных взаимной некратности чисел R и Q. О величине этих помех будет сказано ниже.

В принципе, входы частот Fr и Fc на рисунке 20 можно поменять местами, чтобы получить на выходе системы ФАПЧ более высокую частоту в соответствии с выражением Fc=QFr/R. Однако при этом надо учитывать, что в этом случае интегрирующее звено оказывается включенным в петлю ФАПЧ, и, обладая задержкой сигнала, может ухудшить устойчивость системы.

Если в рассмотренной схеме используется импульсно-фазовый детектор типа выборка-хранение, то объективных причин для включения в систему ФАПЧ фильтра нижних частот нет. Его можно использовать лишь для подавления компонентов с частотами Fc и Fr, просачивающихся через ФД, но эти частоты достаточно высокие, ФНЧ может быть широкополосным, а ФАПЧ – с высоким быстродействием.