CC BY
17
2008
Доклады БГУИР
№ 2 (32)
УДК 621.373.1:621.396.6
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ СИНТЕЗАТОР СТАБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ
В.А. ИЛЬИНКОВ, В.Е. РОМАНОВ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 29 января 2008
Разработан широкодиапазонный синтезатор стабильных электрических колебаний, кратных и некратных частот с коэффициентом Кп=1010 перекрытия по частоте; коэффициент перекрытия по частоте перестраиваемого генератора не превышает значения Кг=2 при любых вариантах разбиения (на поддиапазоны) рабочего диапазона частот синтезатора.
Ключевые слова: колебание, синтезатор, построение, частота, фаза, автоподстройка.
Введение
Важной для радиоэлектроники является проблема генерирования высокостабильных электрических колебаний. Она решается двумя основными методами: прямым частотным синтезом; с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [1-3].
При прямом частотном синтезе колебание с требуемой частотой / образуется посредством операций деления и (или) умножения частот нескольких (одного) базовых стабильных колебаний с последующим выделением соответствующего комбинационного продукта. Недостатками устройств прямого частотного синтеза являются сложность аппаратурной реализации (в основном из-за сложности реализации умножителей и смесителей частоты) и невозможность получения колебания с изменяемым в процессе работы значением частоты [1, 4]. Поэтому на практике в основном применяются синтезаторы стабильных электрических колебаний на основе системы ФАПЧ. Структурная схема такого синтезатора содержит [2, 5] (рис. 1) перестраиваемый генератор 1 — источник колебаний с перестраиваемой частотой /Г, делители 2 и 8 частоты с коэффициентами деления соответственно М и N генератор 7 стабильного опорного колебания с частотой /0, фазовый детектор 3 (сравнивающий по фазе вспомогательное с частотой /Г /М и опорное колебания), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ), усилитель 5 постоянного тока и блок 6 управления. Блоки 1-5 и 7 образуют в совокупности систему ФАПЧ генератора 1, управляющую его частотой с точностью до фазы. Делители 2 и 8 имеют переменные коэффициенты деления, необходимые значения которых устанавливаются с помощью блока 6, связанного с управляющими входами делителей. Благодаря этому рассматриваемый синтезатор вырабатывает стабильное колебание с частотой — /0М / N . Она может изменяться в процессе работы, создавая тем самым сетку частот с некоторым шагом А/.
Свойства широкодиапазонных синтезаторов частот
Важное место среди синтезаторов стабильных колебаний занимают широкодиапазонные синтезаторы. В случае широкого диапазона/р.../ь рабочих частот его разбивают на Ь поддиапазонов [5, 6]:
Ь = ^ /\ё А, (1)
■/р /
где А /к1/к |; ¡к \ (/¿) — нижняя (верхняя) граничная частота к-то поддиапазона; к = 1, Ь. При этом с учетом преимущественного распространения десятичной и двоичной систем исчисления в основном используют декадное (4=10) и октавное (4=2) разбиения.
Для упрощения реализации широкодиапазонного синтезатора целесообразно, чтобы на всех Ь поддиапазонах генератор 1 работал (перестраивался) в одном и том же диапазоне, соответствующем верхнему (Ь-му) поддиапазону. При таком построении переход синтезатора с одного поддиапазона в другой осуществляется ступенчатым изменением коэффициента N делителя 8, который в пределах поддиапазона остается неизменным. Так, переход в соседний, более низкочастотный (высокочастотный) поддиапазон соответствует увеличению (уменьшению) N в 4 раз. В верхнем поддиапазоне N=1. Коэффициент М деления обычно изменяется с шагом 1 от минимального В до максимального АВ значений независимо от поддиапазона, что обеспечивает внутри к-то поддиапазона неизменный шаг А/ к=/к_х/В сетки частот. Шаг А/ к имеет максимальное значение ^„,ах=/0 (/,', — частота опорного колебания) в верхнем поддиапазоне и уменьшается (пропорционально увеличению N при переходе в более низкочастотный поддиапазон. Например, в случае /р=0,01 Гц, /¿=10* Гц, 4=10 и 5=10 коэффициент М изменяется в пределах 10 —10 , и Л/т;|,= 1 кГц.
Рассматриваемый широкодиапазонный синтезатор (рис. 1) обладает следующими существенными недостатками: сложность реализации перестраиваемого генератора; ограниченные функциональные возможности.
Рис. 1. Синтезатор стабильных электрических колебаний на основе системы ФАПЧ
Действительно, в случае широкого диапазона частот последний с учетом удобств использования десятичной системы исчисления и целесообразности уменьшения числа Ь поддиапазонов наиболее часто разбивают по декадному принципу. Тогда генератор 1 должен перестраиваться в десятикратном диапазоне частот, соответствующем верхнему поддиапазону синтезатора, например, в диапазоне 10-100 МГц при ^=100 МГц и 4=10. Реализация перестраиваемого генератора с коэффициентом перекрытия по частоте Кг=///Ь^1 = 10 представляет самостоятельную достаточно сложную проблему. Ее решают либо способом построения перестраиваемого генератора (со значительно меньшим коэффициентом К), работающего в более высоком диапазоне частот, и последующего переноса колебаний в требуемый диапазон/Ь-1 .../ , либо с помощью нескольких генераторов, каждый из которых перекрывает свою часть поддиапазона [6]. Сравнительно просто реализуется перестраиваемый генератор с коэффициентом перекрытия по частоте, не превышающим значений 1,5-2,5. Учитывая это, в рассматриваемом примере
диапазон 10-100 МГц необходимо разбить на три поддиапазона /ь-1-/51, /51-/52 и fs2—/ь, каждый из которых перекрывается своим перестраиваемым генератором с коэффициентом перекрытия
кг=\[а = \110 « 2,15. Очевидно, оба способа построения генератора, перестраиваемого в
широком поддиапазоне частот /ь / /, , = А > 2,5, характеризуются сложностью аппаратурной
реализации, что существенно усложняет построение синтезатора в целом.
Суть второго недостатка рассматриваемого синтезатора (рис. 1) состоит в следующем.
Синтезатор позволяет получить с требуемым шагом сетки частот одно стабильное колебание. Однако в технических приложениях, например, в системах телекоммуникаций, измерительных системах и устройствах, возникает необходимость наличия одновременно нескольких, наиболее часто двух, стабильных колебаний произвольных (некратных) частот. Этого нельзя достичь с помощью рассматриваемого синтезатора. Поэтому для решения проблемы в состав системы (устройства) вводят несколько (по числу формируемых колебаний) синтезаторов, что усложняет реализацию.
Широкодиапазонный синтезатор частот с расширенными функциональными возможностями
Для устранения отмеченных недостатков предлагается следующая структура широкодиапазонного синтезатора (рис. 2) [7, 8]. Она включает перестраиваемый генератор (частоты /Г) 1, делители 2-4, 10-13 частоты с коэффициентами деления соответственно Р, М, Щ, Щк, MQ и QK (Ля, Р, М, Щ, Щк, Q, QK — целые числа), генератор 9 стабильного опорного колебания с частотой /0, фазовый детектор 5 (сравнивающий по фазе вспомогательное с частотой /Г/(ЛРМ и опорное колебания), ФНЧ 6, усилитель постоянного тока 7 и блок 8 управления. Блоки 1-7 и 9 образуют систему ФАПЧ генератора 1. Делители частоты имеют переменные коэффициенты деления, значения которых устанавливаются блоком 8, связанным с управляющими входами делителей. Благодаря этому синтезатор вырабатывает четыре стабильных колебания с перестраиваемыми частотами /1=/0РМ/(РЩ)=/0М/Щ, /2=/0М/(ЩЩк), /3=/0PM/(MQ)=/0P/Q и /=/0P/(QQK). Делитель 12 наиболее удобно реализовать последовательным соединением делителей частоты с коэффициентами деления М и Q. Выбирая необходимые значения параметров М, Щ, Р и Q делителей 4, 10, 3 и 12, можно устанавливать требуемые в общем случае некратные значения частот/ и/3. Частоты / и/2, а также /3 и/4 являются попарно кратными. Частоты / и / в общем случае некратны. При Ля=1 произведение /00МР не должно превосходить значения /ь верхней граничной частоты генератора 1. Поэтому максимальные значения /1тах=/0М и /3тах=/0Р частот колебаний, которые можно одновременно сформировать, соответствуют условию /0МР</ь.
Рис. 2. Широкодиапазонный синтезатор стабильных электрических колебаний с расширенными функциональными возможностями
Для уменьшения диапазона перестройки генератора 1 в синтезатор дополнительно введен делитель 2. Его коэффициент деления изменяется от минимального Л^пт=1 до максимального значений, где Л =/!//!-\. С помощью делителя 2 необходимые колебания в интервалах частот /с\-/с2, относящихся к нижней части /ь-\-0,5/ь исходного диапазона/ь-\~/ь, образуются делением в Лг раз частоты колебаний генератора 1, перестраиваемого в соответствующих интервалах /Г\-/Г2 верхней части 0,5/ь-/ь диапазона/ь-\~/ь. За счет этого уменьшается коэффициент КГ перекрытия по частоте. В таблице приведены значения коэффициента для различных вариантов разбиения на поддиапазоны (для различных Л) рабочего диапазонасинтезатора.
А
g .тах
А А
—, если--целое,
2 2
А1 А (2)
— +1, если--дробное.
2 2
Анализ работы синтезатора с учетом соотношения (2) и данных таблицы показывает, что введение в устройство делителя 2 уменьшило коэффициент КГ перестраиваемого генератора, который при любых вариантах разбиения рабочего диапазона на поддиапазоны (при различных Л) не превышает значения КГ=2, что существенно упрощает реализацию генератора и синтезатора в целом. Применительно к рассмотренному выше примеру построения синтезатора с /!=100 МГц и Л=10 генератор 1 теперь работает в диапазоне 50-\00 МГц. При этом необходимые колебания в интервалах частот 25-50, \2,5-25 и 10-12,5 образуются делением (делителем 2) соответственно в 2, 4 и 5 раз частоты колебаний генератора, который применительно к этим интервалам частот работает в интервалах соответственно 50-100, 50-100 и 50-62,5 МГц (таблица).
Значения коэффициента Л„ деления для различных вариантов построения
/ь-\-/Ь Л Лг ,/С\-/с2 ,/г\-/Г2
(0,1-1,0$ 10 1 2 4 5 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,125-0,25)/! (0,1-0,125)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,5-0,625)/!
(0,11(1)-1,0$ 9 1 2 4 5 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,125-0,25)/! (0,11(1)-0,125)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,55(5)-0,625)/!
(0,125-1,0$ 8 1 2 4 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,125-0,25)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/!
(0,143-1,0$, 7 1 2 4 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,143-0,25)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,572-1,0)/!
(0,16(6)-1,0$ 6 1 2 3 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,16(6)-0,25)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,5-0,75)/!
(0,20-1,0)/! 5 1 2 3 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,20-0,25)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/! (0,6-0,75)/!
(0,25-1,0$ 4 1 2 (0,5-1,0)/! (0,25-0,5)/! (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/!
(0,33(3)-1,0$ 3 1 2 (0,5-1,0)/! (0,33(3)-0,5)/! (0,5-1,0)/! (0,66(6)-1,0)/!
(0,50-1,0$ 2 1 (0,5-1,0)/! (0,5-1,0)/!
Выводы
Таким образом, при установке значения параметра Р=1 предлагаемый синтезатор позволяет сформировать на своем первом выходе стабильное колебание (с частотой /1) в том же диапазоне и с тем же шагом сетки частот, что и синтезатор по схеме рис. 1. Введение в устройство делителей 3, 11, 12 и 13 обеспечивает дополнительную возможность одновременно создать, помимо колебания с частотой /1, также колебания на частотах /2, /3 и /4, причем, в общем случае частоты /1 и/3, /2 и/4 — попарно не кратны, а частоты /1 и/2, /3 и/4 — попарно кратны.
Введение делителя 2 с переменным коэффициентом деления А = 1, А,, тах уменьшило коэффициент перекрытия по частоте перестраиваемого генератора до значения КГ=2 при любых вариантах разбиения на поддиапазоны рабочего диапазона диапазона/Р—/ь синтезатора.
В заключение отметим еще одно положительное свойство рассматриваемого синтезатора. Все стабильные колебания, формируемые им, образованы делением частоты /Г колебания одного перестраиваемого генератора. Поэтому при их последующем нелинейном преобразовании образуются продукты на частотах, относительная нестабильность которых остается такой же, что и в колебании перестраиваемого генератора. Это исключительно важно для многих технических приложений и принципиально недостижимо в случае формирования колебаний несколькими синтезаторами по схеме рис. 1.
THE WIDE-RANGE SYNTHESIZER OF STABLE ELECTRIC OSCILLATIONS WITH THE EXPANDED FUNCTIONALITIES
V.A. ILINKOV, V.E. ROMANOV
Abstract
The wide-range synthesizer of stable electric oscillations, multiple and not multiple frequencies with factor Kn=\010 of overlap on frequency is developed; the factor of overlap on frequency of a variable-frequency oscillator does not exceed value Kf=2 at any variants of splitting (on sub-bands) an operating range of frequencies of a synthesizer.
Литература
1. Проектирование радиопередатчиков: Учеб. пособ. для вузов / Под ред. В.В. Шахгильдяна. М., 2000.
2. Козлов В.Н., Пестряков А.В. Компоненты для беспроводной связи фирмы MOTOROLA. СПб., 1997.
3. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учеб. для вузов / Под ред. Г.М. Уткина. М., 1994.
4. Ильинков В.А., Романов В.Е. // Докл. БГУИР. 2004. Т 2, № 4.
5. Ильинков В.А., Романов В.Е. // Докл. БГУИР. 2003. Т. 1, № 4.
6. Ильинков В.А., Романов В.Е. // Изв. Белор. инж. акад. 2003. № 1(15)/3.
7. Пат. 6863 С1 BY, МКИ7 H 03L 7/00, 7/18. Способ синтеза стабильных электрических колебаний некратных частот / Ильинков В.А., Романов В.Е.
8. Пат. 8265 С1 BY, МКИ7 H 03L 7/00. Синтезатор стабильных электрических колебаний в широком диапазоне частот / Ильинков В.А., Романов В.Е.
