СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

Полезная модель относится к технике связи, радиолокации и может быть использована для формирования сетки частот в приемных и передающих устройствах с малым временем перестройки в широком диапазоне частот.
Широко распространена схема синтезатора частот, включающая опорный генератор, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор со схемой накачки заряда, фильтр нижних частот (фильтр кольца), управляемый генератор, основной делитель частоты с переменным коэффициентом деления, образующих кольцо фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора (см. Cicero S. Vaucher. Architectures for RF Frequency Synthesizer, 2003, p.29-41, 71).
Известна аналогичная схема синтезатора, в которой используется частотно-фазовый детектор с тремя устойчивыми состояниями, со схемой накачки заряда (см., например, Ulrich L. Rohde. Digital PLL Frequency Synthesizers Theory and Desing. 1983 by Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.Y. 07632, p.220-229).
Эти однопетлевые синтезаторы частоты характеризуются структурной и элементной простотой, надежностью работы, широким и сверхшироким диапазоном рабочих частот, полосой захвата и удержания частоты, ограниченной лишь диапазоном частоты управляемого генератора.
Однако, недостатком приведенных выше синтезаторов является низкое быстродействие, так как оно определяется для малых перестроек по частоте полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки, а для больших перестроек по частоте ограниченной скоростью изменения напряжения на конденсаторах фильтра нижних частот.
Близким по физической сущности к предлагаемому синтезатору является синтезатор частот, по патенту US 4156855 "Phase-locked loop with variable gain and bandwidth". H03В 3/04, May, 29, 1979.
Наиболее близким по физической сущности и технической реализации к предлагаемому синтезатору является синтезатор частот, описанный в «Fast Locking Scheme for PLL Frequency Synthesizers» National Semiconductor, Application Note 1000, David Byrd, Craig Davis, William O. Keese July 1995 - прототип
Синтезатор частот содержит опорный генератор, частотно-фазовый детектор, схему накачки заряда (зарядовый насос), фильтр нижних частот (фильтр кольца), управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления N.
Существенным недостатком такой системы является то, что в ней, при перестройке частоты, токи зарядового насоса не могут быть многократно увеличены, более чем на порядок, по нескольким причинам. Обычное значение кратности увеличения токов в 2…6 раз, а по приведенной статье это значение равно 4. Одной из причин является потеря устойчивости замкнутого кольца фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ из-за временных задержек в частотно-фазовом детекторе при резком расширении полосы фильтра нижних частот (фильтр кольца). Другой причиной является невозможность существенного изменения крутизны передаточной характеристики фазового детектора, напрямую связанной с заданными максимальными значениями токов зарядового насоса из-за нарушения симметричности режимов элементов схемы зарядового насоса а также сужения диапазона между минимальным и максимальным напряжением выхода схемы зарядового насоса, что сказывается на сужении диапазона вырабатываемых частот синтезатора с увеличенной скоростью перестройки. Третьей причиной является эффект перерегулирования в замкнутых петлях кольца ФАПЧ, особенно с полосой фильтра нижних частот, приближающейся к частоте сравнения частотно-фазового детектора, приводящий к избыточному выбегу частоты относительно заданной схемой управления в соответствии с вновь установленным коэффициентом основного делителя в цепи обратной связи.
Задачей, предлагаемого технического решения является применение в синтезаторе частот кольца фазовой автоподстройки, близкого к оптимальному по быстродействию. В предлагаемом синтезаторе с разрывом цепи обратной связи кольца ФАПЧ, переходной процесс при смене выходных частот существенно улучшается и сокращается его длительность за счет быстрого параметрического изменения управляющего напряжения на входе управляемого генератора путем временного отключения зарядового насоса, соединенного с выходом частотно-фазового детектора и подключения на этот промежуток времени второго зарядового насоса, сообщающего конденсаторам фильтра нижних частот необходимого заряда с точностью, лучшей чем достижима в переходном процессе при замкнутом кольце с учетом ошибки выброса, с последующим замыканием кольца ФАПЧ
Для выполнения этой задачи предлагается синтезатор частот, содержащий опорный генератор, частотно-фазовый детектор, первый блок накачки заряда, фильтр нижних частот, управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, блок управления, причем выход опорного генератора соединен с первым входом частотно-фазового детектора, первый и второй выходы частотно-фазового детектора, которые являются выходами сигналов заряда и разряда, соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока накачки заряда, выход первого блока накачки заряда соединен с входом фильтра нижних частот, выход фильтра нижних частот соединен с входом управляемого генератора, выход управляемого генератора соединен с первым (счетным) входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления и является выходом высокой частоты, выход делителя частоты с переменным коэффициентом деления соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, первый выход блока управления соединен с третьим входом первого блока накачки заряда, второй выход блока управления соединен с вторым входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления, согласно полезной модели дополнительно введен второй блок накачки заряда, причем вход второго блока накачки заряда соединен с третьим выходом блока управления, выход второго блока накачки заряда соединен с выходом первого блока накачки заряда и одновременно соединен с входом фильтра нижних частот.
Такое выполнение синтезатора позволит существенно сократить длительность переходного процесса перестроения по частоте за счет быстрого параметрического изменения управляющего напряжения на входе управляемого генератора путем временного отключения зарядового насоса, соединенного с выходом частотно-фазового детектора и подключения на этот промежуток времени второго зарядового насоса, сообщающего конденсаторам фильтра нижних частот необходимого заряда с точностью, лучшей чем достижима в переходном процессе при замкнутом кольце с учетом ошибки выброса, с последующим замыканием кольца ФАПЧ.
Сущность предлагаемого синтезатора поясняется фигурой.
Синтезатор содержит опорный генератор 1, частотно-фазовый детектор 2, первый блок накачки заряда 3, второй блок накачки заряда 4, фильтр нижних частот 5, управляемый генератор 6, делитель частоты с переменным коэффициентом деления 7, блок управления 8.
Выход опорного генератора 1 соединен с первым входом частотно-фазового детектора 2, первый и второй выходы частотно-фазового детектора 2, которые являются выходами сигналов заряда и разряда, соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока накачки заряда 3, выход первого блока накачки заряда соединен с входом фильтра нижних частот 5, выход фильтра нижних частот 5 соединен с входом управляемого генератора 6, выход управляемого генератора 6 соединен с первым (счетным) входом делителя частоты 7 с переменным коэффициентом деления и является также выходом высокой частоты, выход делителя частоты с переменным коэффициентом деления 7 соединен со вторым входом частотно-фазового детектора 2, первый выход блока управления 8 соединен с третьим входом первого блока накачки заряда 3, второй выход блока управления 8 соединен с вторым входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления 7, вход второго блока накачки заряда 4 соединен с третьим выходом блока управления 8, выход второго блока накачки заряда 4 соединен с выходом первого блока накачки заряда 3 и одновременно соединен с входом фильтра нижних частот 5.
Работает синтезатор следующим образом.
До очередной смены частоты в блоке управления 8 содержится информация о текущей частоте, вырабатываемой синтезатором в виде значения, установленного коэффициентом деления в делителе частоты 7, а также в виде табличной информации о текущем напряжении управления управляемого генератора 6. При поступлении извне сигнала в блок управления 8 о необходимости смены частоты блок управления 8 с первого выхода запрещает работу первого блока накачки заряда 3 и разрешает работу второго блока накачки заряда 4, конфигурируя величину вырабатываемого им заряда таким образом, чтобы заряд с выхода второго блока накачки заряда 4 изменил напряжение на электрических емкостях фильтра нижних частот 5 на определенную величину, которая рассчитывается в блоке управления 8 с учетом параметров крутизны управляемого генератора 6, электрических емкостей фильтра нижних частот 5, текущей частоты и новой частоты. В этот момент времени обратная связь по частоте и фазе в кольце ФАПЧ перестает действовать, происходит разрыв цепи обратной связи кольца ФАПЧ. Ток заряда из второго блока накачки заряда 4 может на 1-2 порядка превышать ток заряда из первого блока накачки заряда 3, поэтому переходной процесс смены управляющего напряжения на емкостях фильтра нижних частот 5 произойдет быстро. Параллельно во времени с переносом заряда из второго блока накачки заряда 4, происходит запись нового коэффициента деления, соответствующего новой частоте, в делитель частоты с переменным коэффициентом деления 7. По завершении быстрого переходного процесса переноса заряда из второго блока накачки заряда 4, блок управления 8 отключает выход второго блока накачки заряда 4 и подключает выход первого блока накачки заряда 3 к входу фильтра нижних частот 5. В этот момент времени обратная связь по частоте и фазе в кольце ФАПЧ возобновляет свое действие и происходит незначительная коррекция частот и фазы по устранению остаточной погрешности переходного процесса, когда кольцо обратной связи ФАПЧ было разорвано.
Использование второго блока накачки заряда 4, заряд которого рассчитывается с учетом имеющейся информации о текущих параметрах синтезатора и вновь задаваемых параметрах частоты, позволяет максимально быстро произвести операцию смены частоты управляемого генератора 6. При этом переходный процесс при смене частоты максимально ускорен, его скорость определяется только максимально допустимыми режимами элементов блока накачки заряда 4 и допустимой погрешностью собственно параметрической смены частоты.