СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в приемно-передающей и контрольно-измерительной аппаратуре.
Широко известен синтезатор частот (СЧ), построенный по однокольцевой схеме импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи (см. Д.Н. Шапиро, А.А. Паин. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981 г., стр. 39).
В таком СЧ, изменяя коэффициент деления ДПКД, можно перестраивать выходную частоту дискретными приращениями (шагами) и получать необходимое число частот. Однако особенностью систем ИФАПЧ, на основе которой построен этот СЧ, является то, что управляющее напряжение на выходе фазового детектора (ФД) носит импульсный характер. При этом для подавления помехи от импульсной частоты сравнения требуется на выходе ФД (в цепи управления ГУН) иметь весьма инерционный, узкополосный фильтр нижних частот (ФНЧ), что резко уменьшает полосу пропускания системы ИФАПЧ и, следовательно, ухудшает быстродействие СЧ при переключении с одной частоты на другую.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому является синтезатор частот на основе кольца ИФАПЧ (см. В. Манассевич. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. М.: Связь, 1979, стр. 33), содержащий генератор, управляемый напряжением (ГУН), ДПКД с устройством управления (УУ), ФД и ФНЧ. К другому входу ФД обычно через делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) подключен выход высокостабильного опорного кварцевого генератора (ОГ).
В режиме синхронизма выходная частота синтезатора определяется по формуле: f f --  f -N
C 0 p Cp
где fo - частота опорного генератора,
N - коэффициент деления ДПКД,
R - коэффициент деления ДФКД,
fcp - частота сравнения на опорном входе ФД.
Известный синтезатор отличается сравнительно простой схемной реализацией, высокой надежностью и технологичностью, обладает возможностью сформировать необходимое число частот, но имеет существенный недостаток, который вытекает из принципа работы такого СЧ. Этот недостаток состоит в том, что невозможно выбирать
N
частоту сравнения выше заданного шага сетки частот. Следовательно, при мелком шаге сетки частот и импульсном характере частоты сравнения быстродействие синтезатора значительно снижается.
Целью предлагаемого технического решения является повышение быстродействия.
Поставленная цель достигается тем, что в синтезатор частот, содержаший последовательно соединенные ГУН, ДПКД с устройством управления, последовательно соединенные ОГ и ДФКД, а также первый ФНЧ, введены первое и второе формируюшее устройство (ФУ), второй ФНЧ, первый и второй фазовращатели на 7г/2, первый и второй перемножители сигналов и вычитатель. Причем выход ОГ через ДФКД, второе ФУ, второй ФНЧ подключен к входу второго фазовращателя на к12 и к первому входу второго перемножителя сигналов, выход ДП1СД через первое ФУ, первый ФНЧ подключен к входу первого фазовращателя на 7с/2 и к первому входу первого перемножителя сигналов, выходы первого и второго фазовращателей на 71/2 соединены соответственно с вторыми входами второго и первого перемножителей сигналов, а выходы первого и второго перемножителей сигналов соединены соответственно с первым и вторым входом вычитателя, выход которого подключен к управляющему входу ГУНа.
Характерной особенностью предложенного синтезатора является использование принципа квадратурного расщепления опорного сигнала и сигнала обратной связи после ДПКД, затем соответствующего их перемножения и последующего сложения. В результате вьщеляется чистый сигнал рассогласования, который не требует фильтрации, т.е. не требуется ФНЧ на входе управления ГУН. При этом за счет расширения полосы пропускания системы ИФАПЧ обеспечивается повышение быстродействия синтезатора частот.
Предлагаемое техническое решение, по мнению заявителя, обладает существенными отличиями, так как при поиске не выявлены аналоги, содержащие признаки, сходные с отличительными.
На чертеже приведена структурная электрическая схема предлагаемого синтезатора частот.
Синтезатор частот содержит последовательно соединенные ГУН1, ДПКД2 с УУЗ, первое ФУ4, первый ФНЧ5 с подключенными к его выходу первым фазовращателем на п/2 ФВ6 и первым перемножителем сигналов ПС7, а также последовательно соединенные ОГ8, ДФКД9, второе ФУЮ, второй ФНЧ 11 с подключенными к выходу вторым фазовращателем на 7:72 ФВ12 и вторым перемножителем сигналов ПС 13. При этом выходы первого ФВ6 и второго ФВ12 соединены соответственно с вторыми входами ПС 13 и ПС7, а выходы первого ПС7 и второго ПС 13 соединены соответственно с первым и вторым входом вычитателя 14, выход которого подключен к управляющему входу ГУН1.
Синтезатор частот работает следующим образом.
Импульсы с частотой сравнения с выхода ДФКД9 с помощью второго ФУ10 преобразуются в импульсы по форме меандр и поступают на вход второго ФНЧ11, который их преобразует в гармонический сигнал ui  Uicosrot. Этот сигнал поступает на первый вход второго перемножителя сигналов ПС 13 и через второй фазовращатель на к/2 ФВ12 - на второй вход перемножителя ПС7 в виде сигнала ui  Uisincot (т.е. произошло квадратурное расщепление опорного сигнала). В режиме синхронизма импульсы с ДПКД2 с помощью первого ФУ4 преобразуются в импульсы, близкие по форме к меандру и поступают на вход первого ФНЧ5, который преобразует их в гармонический сигнал U2  U2COs(cot+9). Этот сигнал поступает на первый вход первого перемножителя ПС7 и через первый фазовращатель на я/2 ФВ6 на второй вход второго перемножителя ПС 13 в виде U2  U2sin((ot+9). После перемножения на выходе второго перемножителя ПС 13 имеется
ивых  KnlUlU2Sin(COt+9)cOSCOt,(1)
где Кп1 - коэффициент преобразования перемножителя ПС 13,
имеющий размерность вольт-. На выходе первого перемножителя ПС7 получится сигнал
ивых2  Kn2Ui U2 cos(cot+9) sincot.(2)
Считая Kni  Кп2  Кп, в результате алгебраического сложения (1) с (2) получаем на выходе вычитателя 14
ивых.в  KniUi U2sin(cot+9)coscut - Kn2Ui U2 со8(сй1+ф) sincut
KnUl U2 51Пф)(3)
Это напряжение с выхода вычитателя 14 поступает на управляющий вход ГУН1 и подстраивает его частоту под опорный сигнал с точностью до фазы ф.
Поскольку напряжение на выходе вычитателя 14 соответствует только разности фаз ф и свободно от побочных колебаний, то фильтр на выходе вычитателя 14 в цепи управления ГУ HI не нужен.
В переходном режиме при переключении с одной частоты на другую путем изменения коэффициента деления ДПКД2 N разность фаз изменится и на выходе ФНЧ5 получится сигнал U2  U2cos((ot + +Acot +ф). При этом новое управляющее напряжение с выхода вычитателя 14 ивых.в  KnUi и281п(Асй1+ф) соответствует новому значению частоты ГУН.
Выигрыш в быстродействии по сравнению с прототипом здесь заключается в отсутствии ФНЧ на выходе вычитателя 14 в цепи управления ГУН1. А первый ФНЧ5 в цепи обратной связи обычно значительно менее инерционной, чем ФНЧ в цепи управления ГУН в синтезаторе-прототипе.
Например, пусть будет частота сравнения (и соответственно шаг сетки частот) fcp  10 кГц. При этом частота среза первого и второго 5 ФНЧ немного больше 10 кГц, чтобы пропустить только первую гармонику и получить синусоидальный сигнал. В то же время ФНЧ на выходе ФД в СЧ-прототипе fcp  10 кГц должен быть такой, чтобы частота среза его была, по крайне мере, меньше 100 Гц (т.е. на два порядка меньше) для получения необходимого подавления помех от частоты сравнения.
Иначе говоря, ФНЧ в цепи управления ГУН в СЧ-прототипе должен быть примерно в 100 раз более инерционный, чем ФНЧ в цепи обратной связи предложенного синтезатора, т.е. полоса пропускания кольца ФАПЧ в предложенном синтезаторе намного больше. Отсюда и выигрыш по быстродействию будет соответствующий.
Подстройка фазы в предложенном СЧ происходит непрерывно, так как сравниваются аналоговые сигналы, а не импульсные, как в СЧпрототипе, что также повышает быстродействие.
Предложенный СЧ не должен быть широкодиапазонным, так как ФНЧ5 в цепи обратной связи выбирается таким, чтобы пропустить первую гармонику частоты сравнения с небольшим запасом, т.е. в полосу пропускания ФНЧ не должна проходить вторая гармоника частоты сравнения при перестройке СЧ во всем диапазоне. Если необходимо сделать широкодиапазонный СЧ, то можно дополнительно использовать известные способы грубого введения частоты СЧ в заданный узкий участок, например, с помощью системы цифрового автопоиска.
Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и построены на известных микросхемах. В качестве формирующего устройства (ФУ) можно использовать триггер, который сформирует сигнал типа меандр. Перемножитель сигналов может быть выполнен на микросхемах 525ПСЗ или 174ПС1., вычитатель (или сумматор) - на малошумящем операционном усилителе типа 1407УДЗ.
Реализации фазовращателя на п12 могут быть самые разные: это и резонансная цепь (например, контур), в которой определенным подбором реактивных элементов (L, С) достигается фазовый сдвиг на 7С/2 выходного сигнала относительно входного, это и RC-цепь, где плавным изменением значения R выбирается нужное соотношение фаз.
Таким образом, в предложенном синтезаторе сочетаются преимущества системы ИФАПЧ с ДПКД (возможность точной установки любого необходимого числа частот) и аналоговой системы
ФАПЧ, Конструктивные отличня привели к другому принципу работы и получению нового эффекта: повышения быстродействия СЧ из-за отсутствия необходимости фильтрации сигнала с частотой сравнения и за счет непрерывного сравнения двух сигналов по фазе и автоподстройки частоты ГУНа.
Применение предлагаемого устройства позволяет повысить быстродействие при переходе с одной частоты на другую при высокой чистоте спектра сигнала и сравнительно простой схемной реализации.