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

Поглощающий счётчик устроен таким образом, что импульсом переполнения аккумулятора один опорный импульс с его входа вычёркивается.

Первые три опорных импульса беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая первый сигнальный импульс, который и далее беспрепятственно проходит через генератор задержек на выход схемы. Это потому, что, во-первых, импульс переполнения аккумулятора отсутствует, а во-вторых, содержимое аккумулятора, как и ЦАП, равно нулю и, следовательно, генератор задержек не создаёт временного сдвига для этого импульса. Данный импульс, воздействуя на аккумулятор, меняет его содержимое с нуля до 3333.

Следующие 3 опорных импульса также беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая на его выходе второй сигнальный импульс. Однако далее этот импульс проходит на выход схемы с задержкой на 0,3333 периода Tr опорных импульсов, которая создаётся генератором задержек под воздействием сигнала с выхода ЦАП. Этот сигнальный импульс увеличивает содержимое аккумулятора до значения 6666.

После трёх последующих импульсов Fr получается третий сигнальный импульс на выходе поглощающего счётчика, который проходит на выход схемы с задержкой 0,6666Tr в соответствии с новым значением содержимого аккумулятора. Аналогичным образом формируется четвёртый сигнальный импульс с задержкой 0,9999Tr.

На пятом сигнальном импульсе аккумулятор переполняется, его содержимое сбрасывается до значения 3332, а его импульсом переполнения вычёркивается один импульс Fr на входе поглощающего счётчика. И далее схема действует по описанному алгоритму, выравнивая, с помощью генератора задержек, расстановку сигнальных импульсов во времени, чтобы сделать процесс периодическим, то есть исключить помеху дробности.

Один из возможных вариантов схемы генератора задержек показан на рисунке 16. При отсутствии импульса с выхода ДДПКД ключ замкнут, что предотвращает заряд конденсатора C от источника тока.

Рис.16. Схема генератора задержек

В то же время триггер находится в состоянии «0». С появлением упомянутого импульса ключ размыкается, и источник тока заряжает конденсатор C по линейному закону. Напряжение с конденсатора сравнивается в компараторе с напряжением на выходе ЦАП, и при их равенстве возникает импульс на выходе компаратора, который переводит триггер в состояние «1». Временной интервал между импульсами с выходов ДДПКД и триггера является линейной функцией напряжения с выхода ЦАП. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы максимальное напряжение с выхода ЦАП соответствовало задержке, равной одному периоду импульсов опорной частоты Fr.

По эффективности действия рассмотренные выше схемы примерно эквивалентны. Из-за относительно невысокой точности цифро-аналогового преобразования, суммирования и аналогового интегрирования в них не удаётся достичь высокой спектральной чистоты сигнала, чем и ограничивается область их использования.

Схема представлена на рисунке 17 [44]. В качестве ДДПКД в ней используется накапливающий сумматор (аккумулятор) для деления опорной частоты Fr с коэффициентом N=Q/A, где Q – ёмкость аккумулятора, а A – накапливаемое им число, содержащееся в управляющем коде N. Импульсы переполнения аккумулятора поступают на один из входов фазового детектора ФД, являясь, таким образом, «опорой» для петли ФАПЧ, формирующей частоту Fc сигнала. Другой вход ФД подключен к выходу ГУН.

Рис.17. Схема Ундервуда

В итоге, частота сигнала Fc равна средней частоте импульсов на выходе аккумулятора, то есть

F c=F r/N=AF r/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 c=F r/N=AMF r/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.

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 Сдля управления частотой ГУН.