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

Однако, благодаря бесспорным достоинствам схемы по сравнению со схемами, использующими как целочисленные, так дробные коэффициенты деления, данная схема могла бы найти практическое применение, хотя и ограниченное отмеченными недостатками. Более обстоятельно схема проанализирована в работе [38].

Понятно, что пределы перестройки ГУН ограничены, и в первую очередь из-за необходимости обеспечения допустимого уровня шума. Генераторы с перекрытием по частоте более октавы практически не применяются. Расширить диапазон частот синтезатора можно, используя набор из нескольких коммутируемых генераторов. Однако это довольно сложно и дорого. Но если уже получен октавный диапазон, то далее можно расширять диапазон частот синтезатора вниз по частоте достаточно простым способом, как это показано на рисунке 12.

Рис.12. Схема расширения диапазона частот Fc

На рисунке показан пример получения диапазона частот Fc=F С0/2, где F С0 – исходный октавный диапазон. Чтобы избежать попадания в спектр сигнала Fc её субгармоник, последующие делители частоты, после используемых, отключаются. В качестве делителей частоты целесообразно использовать триггеры с выходным напряжением в виде меандра, не содержащим второй гармоники. Поэтому синусоидальный сигнал на выходе Fc может быть получен с помощью довольно простых фильтров нижних частот октавного диапазона.

Данный способ расширения диапазона частот широко используется на практике [39], в частности в разработках фирм Phase Matrix / NI, США, (FSW-0010), Stanford Research Systems, США (7SG392, 7SG394, 7SG396), AnaPico Inc, Швейцария (APSIN6010), Advantex, Москва (SG8), Микран, Томск (PLG06) и некоторых других фирм.

Перейдём далее к рассмотрению однопетлевых структур с дробным делителем частоты и различными вариантами схем для компенсации помех дробности.

Один из таких вариантов представлен на рисунке 13. Если в общих чертах, то она почти одновременно запатентована авторами Бреймером и Джиллетом [40, 41]. Правда, в описаниях к их патентам много внимания уделено построению оригинальных схем ДДПКД, хотя это не касается самого принципа компенсации помех дробности и потому не отражено на приведенном рисунке.

Рис.13. Схема Бреймера-Джиллета

ДДПКД представлен в виде целочисленной части с коэффициентом деления N 0и дробной части, выполненной на аккумуляторе (накапливающем сумматоре). Импульс переполнения последнего передаётся в целочисленную часть, и общий коэффициент деления увеличивается при этом на единицу, из-за чего и возникает помеха дробности.

Для её компенсации используется ЦАП, с помощью которого формируется сигнал – копия помехи, продетектированной в ФД. В сумматоре напряжения с выходов ЦАП и ФД складываются в противофазе, благодаря чему помеха дробности подавляется.

Понятно, что степень подавления помехи зависит от точности ЦАП и от точности сумматора, и эти точности, естественно, ограничены. Поэтому если ёмкость аккумулятора довольно большая (чтобы получить достаточно мелкий шаг сетки частот), нет смысла брать ЦАП той же ёмкости, её ограничивают 12÷14 разрядами, подключаемым к соответствующим старшим разрядам аккумулятора.

Другой вариант [42] схемы компенсации помехи дробности показан на рисунке 14. В нём используются, в основном, те же блоки, что и в предыдущей схеме. Добавлен только интегратор, а ЦАП предназначен для другой цели.

Рис.14. Вариант схемы с интегратором

Каждое переполнение аккумулятора вызывает скачёк частоты на выходе делителя частоты. Чтобы его скомпенсировать, необходимо создать сигнал, соответствующий получаемому при этом отклонению фазы, и сложить его в противофазе с напряжением на выходе фазового детектора. Для этого и служит интегратор. Он может быть выполнен на базе операционного усилителя.

Требуемый уровень компенсирующего сигнала обратно пропорционален коэффициенту деления. Поэтому при достаточно большом частотном перекрытии синтезатора, и, следовательно, широком диапазоне изменений коэффициента деления, необходимо управлять коэффициентом передачи интегратора, для чего и служит ЦАП. Он может быть использован в качестве источника для питания интегратора, чтобы напряжение на его выходе контролировалось управляющим кодом. В предыдущей схеме такая возможность отсутствовала. Но и там можно ввести дополнительный ЦАП, питающий уже имеющийся (который должен быть умножающего типа) и подключенный к управляющей шине.

По своей структуре схему Кокса [43] можно отнести к прямым цифровым синтезаторам с некоторыми особенностями. Сигнал в ней получается делением опорной частоты в переменное дробное число раз с последующей компенсацией помех дробности путём программируемого временного сдвига сигнала на выходе схемы.

Схема представлена на рисунке 15. Она содержит программирующее устройство для задания целочисленной и дробной частей коэффициента N, поглощающий счётчик (обозначен на схеме как: N), аккумулятор для формирования дробной части коэффициента деления и генератор задержек, управляемый цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Поглощающий счётчик тактируется импульсами опорной частоты Fr, а аккумулятор – сигнальными импульсами частоты Fc. Поглощающий счётчик вместе с аккумулятором образуют, в целом, схему ДДПКД.

Рис.15. Схема Кокса

Работу схемы можно рассмотреть на конкретном примере. Положим, что при опорной частоте, равной Fr=100 МГц, требуется получить частоту сигнала Fc=30 МГц. Это значит, что при некотором разрешении по частоте импульс на выходе синтезатора должен появляться через каждые 3,3333 периодов опорных импульсов. Для этого целочисленная часть коэффициента деления N устанавливается равной N 0=3, а для обеспечения дробной части этого коэффициента, число на входе аккумулятора равно 3333 при его ёмкости, равной 10000. Понятно, что при этом искомая частота 30 МГц будет получена с погрешностью 300 Гц. Положим также, что поглощающий счётчик и аккумулятор оба включаются в работу при нулевых начальных условиях.