Виталий Козлов - Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Предложенная схема синтезатора поясняется рисунком 9, который иллюстрирует пример получения из опорной частоты Fr=100МГц, умноженной в 20 раз, сигнала с частотой Fc в диапазоне от 25 до 6000 МГц.

Рис.9. Схема синтезатора на серийных микросхемах

Синтезатор состоит из двух последовательно включённых блоков – опорного и основного синтезаторов. Первый и из них обеспечивает частоту с малым шагом перестройки в сравнительно небольшом диапазоне, а второй – использует эту частоту в качестве опорной, расширяя диапазон перестройки синтезатора в целом до нескольких октав. Частотные преобразования, как и обозначения элементов на схеме, пояснений не требуют.

Собственно, это известный принцип построения синтезатора, который, в частности, использован и в QuickSyn (см. предыдущий раздел). Новизна состоит в удачном подборе микросхем для названных блоков.

Например, вместо DDS для получения мелкой сетки в опорном синтезаторе, как это имеет место в том же QuickSyn, здесь используется дробный делитель частоты с дельта-сигма модулятором. Для этого подходит, например, микросхема ADF4159 от Analog Devices. Это существенно экономит энергопотребление и габариты, так как делитель частоты находится в составе микросхемы (ФАПЧ-1), где содержатся и другие необходимые узлы: частотно-фазовый детектор, токовый ключ и др. Фактически, система потребляет столько, сколько она потребляла бы без прямого цифрового синтезатора (экономия порядка 0,5÷1 Вт). Уровень остальных характеристик не сильно уступает решению с DDS.

Так же и в блоке основного синтезатора могут быть использованы экономичные недорогие серийные микросхемы: HMC704 от Hittite (ФАПЧ-2) и MAX2870 от Maxim Integrated (ГУН-2 и ДЧ-2).

По описанной структуре в ЗАО НПФ «Микран» разработан портативный USB синтезатор PLG06 [34] со следующими основными характеристиками: диапазон выходных частот 25—6000 МГц с шагом 1 Гц; уровень фазовых шумов -122 дБн/Гц при отстройке 10 кГц от несущей 1 ГГц; уровень негармонических составляющих в спектре -70 дБн; уровень гармоник -30 дБн; время перестройки частоты 100 мкс.

Имеется режим аналоговой модуляции: АМ, ФМ, ЧМ, ИМ (внешний/внутренний источник) и режим сканирования.

Прибор, обладая функциональными возможностями классических лабораторных генераторов, потребляет всего 2,5 Вт, питается и управляется через один провод USB 2.0. Габариты прибора всего лишь 125х65х25 мм.

Идею использования DDS в петле ФАПЧ для формирования сетки частот рассмотрим на примере генератора SG8-HP01M фирмы ООО Адвантех, Москва [36]. Схема генератора показана на рисунке 10.

Рис.10. Пример синтезатора с DDS в петле ФАПЧ

DDS в этой схеме выполняет роль делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Он тактируется поделённой в 8 раз частотой в октавном диапазоне 4÷8 ГГц, поступающей от ГУН. Коэффициент деления DDS, как делителя частоты, также перестраивается в октавном диапазоне в соответствии с октавным частотным диапазоном 0,5÷1 ГГц на его входе. Таким образом, частота на выходе DDS остаётся постоянной и равной опорной частоте Fr (при наличии синхронизма в петле).

Верхний, наиболее крупный, октавный диапазон получается непосредственно на выходе ГУН, а остальные, более мелкие, – после деления верхнего диапазона двоичными делителями частоты, как это будет рассмотрено в разделе 2.5.

Очевидное достоинство схемы, как и любой другой однопетлевой структуры, состоит в простоте её реализации. Недостаток – довольно высокий уровень негармонических составляющих в спектре сигнала, происходящих из DDS.. При постоянном значении опорной частоты Fr он достигает -50 дБн в полосе отстроек от сигнала 2 МГц. Этот уровень можно снизить на 10 дБ путём использования двух опорных частот, переключаемых автоматически по встроенной программе.

В рассматриваемом генераторе уровень фазовых шумов составляет -120 дБн на частоте сигнала 1 ГГц при отстройке на 10 кГц и время переключения частот – порядка 4 мс. Полученные характеристики можно считать достаточными, чтобы данный отечественный прибор мог составить конкуренцию зарубежным аналогам.

Идея, предложенная автором, отличается особым способом построением ДДПКД в петле ФАПЧ [37]. Схема синтезатора частоты, в которой используется эта идея, показана на рисунке 11.

Рис.11. Схема Садовского

Дробный делитель частоты представлен в ней двумя делителями с целочисленными коэффициентами K и L и смесителем частоты СМ с фильтром Ф на его выходе. Результирующий коэффициент деления для такой структуры равен

N=KL/ (K±L)

.где К больше L.

Достоинство идеи состоит в том, что такой делитель частоты, обладая свойствами дробного деления, не имеет на своём выходе помех дробности. Это можно показать на примере.

Положим, что при опорной частоте Fr=10 МГц требуется получить частоту Fc=119 МГц на выходе ГУН, включенного в петлю ФАПЧ. При этом необходимо иметь коэффициент деления в петле равный N=11,9. Его можно обеспечить, задав следующие значения коэффициентов деления: K=17 и L=7. Тогда частоты на входах смесителя СМ окажутся равными соответственно F K=119/17=7 МГц и F L=119/7=17 МГц, а их разность на выходе смесителя составит 10 МГц, которая и используется для сравнения с опорой частотой 10 МГц в фазовом детекторе ФД.

Если же использовать суммирование частот F Kи F Lпри тех же коэффициентах деления 17 и 7, то получится результирующий коэффициент деления

N= (17×7) / (17+7) =4.9583 (3)

и соответствующая ему частота равна Fc=49,583 (3) МГц. При этом частоты на выходах соответствующих делителей равны F K=2,916 (6) МГц и F L=7,083 (3) МГц, а их сумма равна 10 МГц, которая, как и в предыдущем случае, используется для сравнения в фазовом детекторе.

Недостатком рассмотренной структуры является необходимость включения фильтра Ф, чтобы избавиться от комбинаций типа +/-nF K+/-mF L. Это существенно ограничивает возможности широкого выбора коэффициентов K и L. Кроме того, стремление обеспечить высокое разрешение по частоте приводит к необходимости соответствующего увеличения этих коэффициентов и сужения полосы пропускания фильтра, что – и то и другое – соответственно снижает быстродействие синтезатора. К недостаткам можно также отнести и относительно сложный алгоритм выбора требуемой частоты сигнала. Для каждых конкретных требований к диапазону частот синтезатора, шагу сетки частот и быстродействию необходима таблица с предварительно рассчитанными значениями коэффициентов K и L.