Лекция № 5
Синтезаторы частот. Суммирование мощностей сигналов генераторов с внешним возбуждением
Учебные вопросы:
Назначение и параметры синтезатора частот. Автоматическая подстройка частоты.
Полупроводниковые умножители частоты.
Способы суммирования мощностей сигналов.
Введение
Для формирования в радиопередающем устройстве требуемого дискретного множества частот из одной или нескольких опорных высокостабильных частот, формируемых автогенератором, применяется синтезатор частот, который структурно входит в возбудитель.
В свою очередь в состав синтезатора частот, как правило, входит умножитель частоты, осуществляющий повышение опорной частоты сигнала возбудителя в требуемое число раз.
Требуемая мощность современных радиопередатчиков может во много раз превышать максимальную мощность, генерируемую электронными приборами. Эта проблема разрешается суммированием мощностей сигналов от генераторов с внешним общим возбуждением.
В связи с этим в данной лекции рассматриваются принципы построения и работы синтезаторов частот, полупроводниковых умножителей частот, а также способы суммирования мощностей сигналов.
Назначение и параметры синтезатора частот. Автоматическая подстройка частоты
Назначение и параметры синтезатора частот
Синтез частот – формирование дискретного множества частот из одной или нескольких опорных частот fon (рис. 1). Опорной называется высокостабильная частота автогенератора, обычно кварцевого.
Рис. 1 – Синтез частот дискретного множества частот из одной опорной
Синтезатор частот (СЧ) - устройство, реализующее процесс синтеза. Синтезатор используется в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем радиосвязи, радионавигации, радиолокации и другого назначения.
Основными параметрами синтезатора являются:
- диапазон частот выходного сигнала,
- количество N и шаг сетки частот D f ш,
- долговременная и кратковременная нестабильность частоты,
- уровень побочных составляющих в выходном сигнале;
- время перехода с одной частоты на другую.
В современных синтезаторах число формируемых им дискретных частот может достигать десятков тысяч, а шаг сетки изменяться от десятков герц до десятков и сотен килогерц. Долговременная нестабильность частоты, определяемая кварцевым автогенератором, составляет 10–6, а в специальных случаях - 10–8…10–9. Диапазон частот синтезатора меняется в больших пределах в зависимости от назначения аппаратуры, в которой он используется.
На первой стадии развития синтезатор частот состоял из большого числа кварцевых автогенераторов, с помощью которых путем суммирования и умножения частот сигналов с их дальнейшей фильтрацией удавалось создать определенную сетку частот. В настоящее время один из основных способов построения синтезатора основывается на применении схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты и элементов вычислительной техники. Для понимания работы такого синтезатора необходимо сначала ознакомиться с принципом работы устройств автоматической подстройки частоты.
Классификация
1) В зависимости от способа получения сигнала ошибки различают:
- устройства частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ),
- фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
- комбинированные (ЧАПЧ - ФАПЧ).
В устройствах ЧАПЧ сигнал ошибки вырабатывается путем сравнения частот сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в устройствах ФАПЧ - путем сравнения фаз тех же сигналов.
2) По виду сигнала в цепи управления устройства АПЧ подразделяют на:
- непрерывные при аналоговом сигнале;
- дискретные.
3) Дискретные устройства АПЧ, в свою очередь, в зависимости от метода квантования сигнала подразделяют на:
- релейные (при квантовании по уровню),
- импульсные (при квантовании по времени);
- цифровые (при квантовании по уровню и времени).
Основные звенья. Рассмотрим основные звенья, входящие в устройства АПЧ. В качестве эталонного генератора в ней обычно используется высокостабильный кварцевый автогенератор или принимаемый радиосигнал, а в качестве стабилизируемого генератора – автогенератор с параметрической стабилизацией частоты. В качестве звена фильтрации применяется фильтр нижних частот 1, 2-го или более высокого порядка. Преобразователи частоты, включаемые после автогенераторов, могут выполнять такие функции, как умножение, деление или смещение частоты сигнала. Звеном сравнения в ЧАПЧ является частотный дискриминатор, напряжение на выходе которого U д зависит от разности частот входных сигналов - стабилизируемого (f ст) и эталонного (f эт):
.
Пример характеристики частотного дискриминатора, начальный участок которой является линейным с крутизной S д, приведен на рис. 3, а.
Рис. 3 – Характеристики частотного дискриминатора
Звеном сравнения в ФАПЧ является фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого Ucp зависит от разности фаз сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов: Ucp = y ( j ст – j эт ).
Звеном управления обычно является управляющий элемент с варикапом или ферритом. Назначение данного элемента состоит в управлении частотой стабилизируемого автогенератора в зависимости от величины напряжения на его входе.Поэтому данное звено определяется зависимостью D f = y ( U у ), пример которой приведен на рис. 3, б. Начальный участок данной характеристики обычно является линейным с крутизной Sy.
Системы АПЧ являются нелинейными устройствами, поскольку в них одно или несколько звеньев являются нелинейными. При линеаризации таких звеньев исследование АПЧ проводится в рамках линейной модели, что позволяет получить некоторые важные результаты.
К параметрам устройства АПЧ, являющимися показателями качества процесса регулирования, характеризующими работу устройств АПЧ, относятся:
1) Точность определяется отклонением частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме. При действии на устройство помимо полезного сигнала и помехи точность определяется средней и среднеквадратической ошибкой.
2) Коэффициент авторегулированияКрег – отношение первоначальной ошибки по частоте автогенератора в момент его включения к ошибке в установившемся режиме работы. Пусть ошибка частоты автогенератора (ее отклонение от номинального значения) равна 1 МГц, а после окончания процесса регулирования она снижается до 100 Гц. Для коэффициента регулирования получим: Крег=106/100=104.
3) Полоса схватывания – максимально допустимая величина первоначальной ошибки по частоте автогенератора, при которой устройство нормально функционирует после его включения.
4) Полоса удержания – максимально допустимая величина собственной ошибки по частоте автогенератора в установившемся режиме работы. Как правило, полоса удержания больше полосы схватывания.
5) Переходный процесс установления частоты стабилизируемого автогенератора после включения устройства АПЧ или изменения частоты эталонного генератора. Обычно этот процесс носит апериодический или затухающий колебательный характер. Время установления частоты стабилизируемого автогенератора – время переходного процесса, за которое частота входит в определенную зону.
6) Устойчивость работы устройства АПЧ определяется несколькими параметрами. Поскольку устройство АПЧ является схемой с обратной связью, то в ней подобно автогенератору могут возникнуть собственные автоколебания, если будут выполнены условия баланса амплитуд и фаз. Такой режим работы является недопустимым в устройстве АПЧ, которое должно отслеживать изменения частоты входных сигналов, а не создавать собственные автоколебания. Более того, следует иметь определенный запас по устойчивости.
Цифровой синтезатор частот
Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частоты приведена на рис. 13.
Рис. 13 – Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частот
Данная схема соответствует общей схеме автоматической подстройки частоты (рис. 2), если под преобразователями частоты следует понимать делитель в М раз частоты опорного генератора и делитель в N раз частоты стабилизируемого генератора, а под звеном сравнения - импульсно-фазовый дискриминатор. На схеме ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления - К-разрядный программируемый цифровой счетчик. Назначение других звеньев схемы ясно из сделанных на них надписей. В блоке управления осуществляется прием и хранение данных программирования и формирование кодового сигнала, по которому устанавливается значение коэффициента деления N в зависимости от поступившей на синтезатор команды.
В результате действия фазовой автоподстройки частоты устанавливается равенство частот сигналов, поступающих на вход импульсно-фазового дискриминатора: f 1 = f 2, что позволяет записать следующее соотношение для частот стабилизируемого и эталонного автогенераторов с учетом значений коэффициентов деления:
. (7)
Согласно (7) шаг сетки частот D f ш = f эт /М. Меняя управляемое значение N, устанавливают требуемое значение частоты стабилизируемого генератора, который с помощью управляющего элемента может перестраиваться в требуемом диапазоне частот.
Пример. Требуется создать синтезатор с диапазоном частот 118…136 МГц и шагом Dfш=25 кГц. Выбираем частоту кварцевого автогенератора fэт=1 МГц. Отсюда требуемое значение М=1000/25=40.Согласно (7) для нижней частоты 118 МГц следует иметь: N1 = 118000/25=4720, для верхней частоты N2=136000/25=5440. Следовательно, с помощью ДПКД - цифрового счетчика - следует обеспечить изменение коэффициента деления N через 1 в пределах 4720…5440. Современные синтезаторы частот строятся на основе одной большой микросхемы, в которую объединяются все звенья схемы, приведенные на рис. 13, за исключением управляемого по частоте стабилизируемого автогенератора.
Лекция № 5
Синтезаторы частот. Суммирование мощностей сигналов генераторов с внешним возбуждением
Учебные вопросы:
Дата: 2019-02-25, просмотров: 252.
