Механизм работы синтезатора частот на основе автогенераторов с фазовой автоподстройкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Национальный исследовательский университет

Московский институт электронной техники

Механизм работы синтезатора частот на основе автогенераторов с фазовой автоподстройкой частоты

Нуруллин Р. Ю.

студент

Аннотация: в данной статье рассматриваются основные теоретические сведения о синтезаторах частот, автогенераторах с фазовой автоподстройкой частоты. А также обьясняется механизм работы такого синтезатора частот в системах с высокой и сверхвысокой частотой.

Abstract: in this article are considered the main theoretical data on frequencies synthesizers, self-oscillators with phase auto-adjust of frequency. And also the operation mechanism of such frequencies synthesizer in systems with a high and super-high frequency.

Ключевые слова: синтезатор частот, автогенератор, фазовая автоподстройка частоты, генератор, управляемым напряжением.

Keywords: frequencies synthesizer, self-oscillator, phase auto-adjust of frequency, the generator controlled by tension.

Синтезатор частот (СЧ) - это радиоэлектронное устройство, генерирующее электромагнитные колебания высокой стабильности в заданном диапазоне частот с заданным шагом дискретной перестройки . В радиопередатчиках синтезаторы частот входят в состав возбудителя, образуя несущую частоту колебаний.

Принципы работы синтезаторов частот различны, однако в диапазоне СВЧ они выполняются на основе регулируемых по частоте автогенераторов, охваченных цепью фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходная частота синтезатора частот определяется генератором, управляемым напряжением (ГУН), а стабильность - низкочастотным эталонным генератором высокой стабильности [2].

При проектировании синтезаторов частот необходимо обеспечить следующие основные технические требования:

диапазон генерируемых частот ;

шаг сетки частот (шаг дискретной перестройки)

мощность генерируемых колебаний РГ;

относительную нестабильность генерируемой частоты ;

относительный уровень шума выходных колебаний в зависимости от частоты шумовых флуктуаций F:

[дБ/Гц],

где - мощность шума в полосе 1 Гц при отстройке на частоту F относительно генерируемой частоты;

относительную мощность побочных колебаний:

[дБ];

время перестройки с одной частоты на другую ф.

Диапазон частот создается возможностью электронной перестройки ГУНа, дискрет зависит от схемы и характеристик синтезатора. Относительная нестабильность частоты определяется эталонным генератором, а шумы и мощность побочных составляющих зависят от многих характеристик синтезатора, значимую роль при этом играет фильтр системы ФАПЧ.

Функциональная схема синтезатора частот на основе автогенераторов с ФАПЧ изображена на рис. 1. Частота колебаний выходного напряжения СЧ равна частоте ГУНа, стабилизированной низкочастотным эталонным генератором.

Рис. 1. Функциональная схема синтезатора частот

Обычно ГУН выполняют в виде автогенератора, в колебательный контур которого включен варикап с целью электрической подстройки и перестройки частоты. Частота колебаний ГУНа f УНделится в N раз, а частота эталонного генератора fЭ может быть поделена в n раз, причем N > n.

В режиме синхронизации частоты выполняется равенство:

(1)

На , называемой частотой сравнения, происходит сравнение частот и фаз двух колебаний в дискриминаторе. При одних и тех же частотах режим синхронизации остается прежним.

Если имеется различие в частотах двух сравниваемых колебаний, то на выходе дискриминатора возникает ошибка, который на фильтре нижних частот создает управляющее напряжение, которое подводится к варикапу ГУНа. В результате частота изменяется так, чтобы было получено равенство (1), и ошибка исчезнет.

Коэффициент деления N частоты ГУНа существенно выше коэффициента деления n частоты эталонного генератора. В связи с этим высокая частота f УНстабилизируется низкой частотой:

Э УН

В качестве эталонных обычно применяют кварцевые генераторы.

В синтезаторах частот делитель частоты на N выполняют на элементах с регулируемым коэффициентом деления - делителях с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Для того чтобы изменить выходную частоту, нужно установить другой коэффициент деления. Когда коэффициент деления ДПКД равен N, частота колебаний ГУНа

УН

Если коэффициент деления N + 1, то частоты на обоих входах дискриминатора уже не совпадают:

,

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

в результате вырабатывается ошибка, которая подстраивает ГУН таким образом, чтобы восстановилось равенство (1.1): Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

.

Новая частота ГУНа определяется как

УНРазмещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

УН.

Таким образом, вновь устанавливается режим синхронизации, но уже при новой выходной частоте синтезатора. Шаг перестройки, следовательно, равен частоте сравнения. Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Назначение отдельных элементов синтезатора частот следующее:

генератор, управляемый напряжением, задает диапазон выходных частот синтезатора;

эталонный генератор стабилизирует частоту ГУНа;

дискриминатор вырабатывает ошибку при несовпадении частот и фаз колебаний;

фильтр нижних частот формирует напряжение, регулирующее частотой ГУНа, и отфильтровывает высокочастотные составляющие этого напряжение, которые могут вызвать появление побочных элементов в спектре выходных колебаний синтезатора;

делитель с переменным коэффициентом деления N снижает частоту ГУНа, перемещая ее в тот диапазон, где несложно выполнить автогенератор высокой стабильности частоты и предоставляет возможность для дискретной перестройки выходной частоты синтезатора;

делитель с коэффициентом n понижает частоту эталонного генератора с целью уменьшения шага сетки частот синтезатора.

В состав синтезатора частот входят два автогенератора: эталонный со стабильной частотой Э и перестраиваемый - ГУН с частотой УН, зависящей от управляющего напряжения Uу.

Автогенератор содержит колебательную систему, в которой возбуждаются гармонические колебания, активный элемент (АЭ), преобразующий энергию постоянного электрического поля источника питания в энергию колебаний, цепь обратной связи, служащую для синхронизации поступления энергии в колебательную систему от АЭ с существующими колебаниями, и нагрузку.

В качестве АЭ обычно применяют биполярные или полевые транзисторы. Колебательную систему выполняют на элементах с сосредоточенными параметрами (как правило, микрополосковых). В стабильных автогенераторах в колебательную систему включают стабилизирующие резонаторы - кварцевые на ВЧ, диэлектрические на СВЧ. В ГУНах в колебательную систему включают варикап [1].

Классическими являются трехточечные схемы автогенераторов, где три реактивных элемента колебательной системы соединены тремя электродами транзистора треугольником - на ВЧ (рис. 2, а) или звездой - на СВЧ (рис. 2, б).

а б

Рис. 2. Трехточечные схемы автогенераторов:

а - треугольная; б - звездообразная

В трехточечных схемах треугольного типа для создания положительной обратной связи, которая приводит к возбуждению колебаний, требуется выполнение следующих условий:

а) мнимые сопротивления Хбэ, Хкэ, должны быть одного знака (оба емкостные или оба индуктивные);

б) мнимое сопротивление Хкб, должно быть противоположного знака.

В звездообразных схемах сопротивления Хэи Хбдолжны быть разных знаков.

Большинство автогенераторов ВЧ выполняют по емкостной трехточечной схеме Колпитца, изображенной на рис. 3. Колебательная система образована емкостями C1, C2 и индуктивностью L; Rкор - корректирующее сопротивление, уменьшающее флуктуации частоты автогенерации, обусловленные фазовым сдвигом между колебаниями напряжения на базе Uб(t) и коллекторного тока ik(t).

На схеме рис. 3б, сопротивления R1, R2 задают фиксированное смещение на базу, Rбл - блокировочное сопротивление, препятствующее протеканию переменного тока через источник питания, Rсм - сопротивление автосмещения.

Комбинируя схемы с рис. 3, а, б и заземляя один из электродов транзистора по переменному и постоянному токам, можно составлять различные электрические принципиальные схемы автогенераторов [1].

а б

Рис. 3. Схема Колпитца (емкостная трехточечная): а - эквивалентная схема по переменному току; б - эквивалентная схема по постоянному току

автогенератор ток частота синтезатор

Литература

Романюк А. А. Синтезаторы частот на основе автогенераторов с ФАПЧ: уч. пособие. М.: МИЭТ, 2005. 100 с.

[Электронный ресурс]: Цифровая техника в радиосвязи. Режим доступа: http://digteh.ru/WLL/synt.php/ (дата обращения: 13.12.2016).

Размещено на Allbest.ru