СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОГО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ

Полезная модель относится к синтезаторам частот, в частности, использующим комбинацию цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС) частот с несколькими схемами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Известны синтезаторы с использованием цифрового синтезатора с прямым синтезом частот и схемы ФАПЧ описаны в патенте США N4965533, озаглавленном "Запускаемый цифровым синтезатором с прямым синтезом частот синтезатор частот со схемой ФАПЧ", и патенте США N5028887, озаглавленном "Запускаемый цифровым синтезатором с прямым синтезом частот синтезатор частот со схемой ФАПЧ с ограничителем с резким порогом". Синтезатор частот, запускаемый цифровым синтезатором с прямым синтезом частот со схемой ФАПЧ может синтезировать сигналы с высоким разрешением по частоте и высокой спектральной чистотой. Схема ФАПЧ, сконструированная с узкой полосой частот, осуществляет подавление шумов в опорном сигнале цифрового синтезатора с прямым синтезом частот и выдает сигнал с высокой спектральной чистотой. К недостаткам известных синтезаторов относится увеличение времени установки частоты.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является синтезатор частот по патенту РФ 2176431, H03L 7/16, принятый за прототип.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные (ЦВС), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр и делитель, выход которого соединен с входом схемы ФАПЧ, выход которой является выходом устройства. При этом схема ФАПЧ состоит из последовательно соединенных фазового детектора (ФД), фильтра и генератора, управляемого напряжением (ГУН), выход которого является выходом схемы ФАПЧ и через делитель соединен с входом ФД.
Фазовый детектор служит в качестве компараторного средства для сравнения подаваемого от схем ЦВС (цифрового синтезатора с прямым синтезом частот) опорного сигнала с полученным после деления выходным сигналом схемы ФАПЧ. Фазовый детектор реагирует на разницу частот опорного сигнала и подверженного делению выходного сигнала схемы ФАПЧ для генерирования управляющего сигнала регулирования частоты, уровень напряжения которого пропорционален разнице частот сравниваемых сигналов.
Фильтр служит в качестве фильтра управляющего сигнала регулировки. Он принимает и фильтрует управляющий сигнал регулировки частоты и выдает управляющий сигнал для подачи на управляющий вход генератора, управляемого напряжением.
ГУН предназначен для генерирования выходного сигнала схемы ФАПЧ в ответ на управляющий сигнал генератора. В частности, ГУН изменяет частоту выходного сигнала схемы ФАПЧ в ответ на изменение уровня напряжения входного управляющего сигнала генератора. ГУН может быть высококачественным генератором, например кварцевым генератором, для удовлетворения дополнительных требований по спектральной чистоте.
Делитель подключен к выходу ГУН для приема выходного сигнала схемы ФАПЧ. Делитель служит в качестве делительного средства схемы ФАПЧ, которое принимает выходной сигнал схемы ФАПЧ и генерирует поделенный сигнал, соответствующий по частоте выходному сигналу, деленному на N. Поделенный сигнал подается на вход фазового детектора и имеет частоту, равную или близкую к входной величине. Изменение величины N делителя фактически увеличивает разницу в частоте, воспринимаемую фазовым детектором и вызывает изменение конечной выходной частоты. Результирующий выходной сигнал генератора схемы ФАПЧ является спектрально чистым опорным сигналом, частота которого увеличивается пропорционально величине N делителя.
Необходимо заметить, что ЦАП находится снаружи от ЦВС, но в одном из других вариантов конструкции цифроаналоговый преобразователь расположен внутри ЦВС.
На характеристику схемы ФАПЧ устройства-прототипа оказывают влияние несколько факторов, а именно: частота опорного сигнала, величина делителя, необходимая для деления выходной частоты вплоть до опорной частоты, и ширина полосы частот фильтра схемы ФАПЧ. Частота опорного сигнала влияет на разрешение по частоте или размер шага схемы ФАПЧ, то есть, чем меньше опорная частота, тем больше разрешение по частоте. Величина делителя схемы ФАПЧ имеет большое влияние на шумовую характеристику схемы ФАПЧ. Как таковой, любой фазовый шум или паразитный шум в опорной частоте будет появляться на выходе схемы ФАПЧ, имея свою первоначальную величину, умноженную на делитель схемы ФАПЧ. Ширина полосы частот фильтра схемы ФАПЧ, которая обычно составляет от 5 до 10% опорной частоты или меньше, влияет на скорость, с которой схема ФАПЧ может установиться на новой частоте.
Таким образом, чем уже полоса частот фильтра, тем медленнее схема ФАПЧ будет способна установиться на новой частоте.
Другой недостаток устройства-прототипа - неспособность схемы ФАПЧ подавлять широкий диапазон паразитных сигналов, присутствующих в опорном сигнале.
Задачей является получение сигнала высокой спектральной чистоты и увеличение быстродействия синтезатора частот.
Для решения поставленной задачи в синтезатор частот, содержащий цифровой вычислительный синтезатор частот (ЦВС), первый фильтр и первую схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящую из последовательно соединенных фазового детектора (ФД), фильтра и генератора, управляемого напряжением (ГУН), выход которого является выходом первой схемы ФАПЧ и через делитель соединен с входом ФД, согласно полезной модели, введены вторая, третья и четвертая схемы ФАПЧ, аналогичные первой ФАПЧ, причем выход второй схемы ФАПЧ соединен с входом ЦВС, выходы третьей и четвертой схем ФАПЧ соединены с соответствующими входами коммутационного устройства, выход которого соединен с соответствующим входом смесителя, выход которого является выходом синтезатора, при этом выход первой схемы ФАПЧ через второй фильтр соединен с другим входом смесителя, кроме того, входы второй, третьей и четвертой схемы ФАПЧ соединены и являются входом для сигнала опорного генератора.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - цифровой вычислительный синтезатор частот (ЦВС);
2, 4 - первый и второй фильтры;
3, 7, 8, 9 - первая, вторая, третья и четвертая схемы ФАПЧ;
5 - смеситель;
3.1, 7.1, 8.1, 9.1 - фазовые детекторы соответствующих схем ФАПЧ;
3.2, 7.2, 8.2, 9.2 - фильтры соответствующих схем ФАПЧ;
3.3, 7.3, 8.3, 9.3 - генераторы, управляемые напряжением (ГУН) соответствующих схем ФАПЧ;
3.4, 7.4, 8.4, 9.4 - делители частоты соответствующих схем ФАПЧ;
6 - коммутационное устройство.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные вторую схему ФАПЧ 7, ЦВС 1, первый фильтр 2, первую ФАПЧ 3, второй фильтр 4, выход которого соединен с соответствующим входом смесителя 5, выход которого является выходом синтезатора частот. Кроме того, выходы третьей 8 и четвертой 9 схемы ФАПЧ соединены с соответствующими входами коммутирующего устройства 6, выход которого подсоединен к соответствующему входу смесителя 5. При этом входы второй 7, третьей 8 и четвертой 9 схемы ФАПЧ соединены между собой и являются входом для сигналов от опорного генератора.
Все схемы ФАПЧ аналогичны по конструктивному построению первой схеме ФАПЧ, которая использована в синтезаторе-прототипе, и отличаются только режимами работы.
Первая схема ФАПЧ 3 состоит из последовательно соединенных ФД 3.1, фильтра 3.2 и ГУН 3.4 выход которого является выходом схемы ФАПЧ и через делитель 3.4 соединен с входом ФД 3.1, являющимся входом схемы ФАПЧ 3.
Предлагаемый синтезатор работает следующим образом.
Опорный сигнал изменяющейся частоты (от опорного генератора) генерируется в цифровой форме, поступает на вторую 7, третью 8 и четвертую 9 схемы ФАПЧ, в которых сигнал изменяющейся частоты фильтруется.
Аналоговый сигнал, выдаваемый ЦВС 1, является источником опорной частоты для первой схемы ФАПЧ 3. Опорный сигнал от цифрового синтезатора с прямым синтезом частот (ЦВС 1) является преобразованным в цифровую форму периодическим сигналом, частота которого может настраиваться в пределах данной ширины полосы частот. Такой сигнал может содержать паразитные составляющие вследствие ошибок квантования и усечения, а также шумы вследствие явлений хаотического теплового движения электронов и полупроводниковых явлений.
Выходной сигнал генератора 7.3 является выходным сигналом второй схемы ФАПЧ 7 и также подается обратно на вход делителя 7.4. Выход делителя 7.4 подключен к другому входу фазового детектора 7.1. Вторая схема ФАПЧ 7 предназначена для чистки входного сигнала ЦВС 1. Фазовый детектор 7.1 служит в качестве средства для сравнения опорного сигнала с полученным после деления выходным сигналом второй схемы ФАПЧ 7. Фазовый детектор 7.1 реагирует на разницу частот опорного сигнала и подверженного делению выходного сигнала второй схемы ФАПЧ 7 для генерирования управляющего сигнала регулирования частоты, уровень напряжения которого пропорционален разнице частот сравниваемых сигналов.
Фильтр 7.2 служит в качестве фильтра управляющего сигнала регулировки. Он принимает и фильтрует управляющий сигнал регулировки частоты и выдает управляющий сигнал для подачи на управляющий вход генератора, управляемого напряжением 7.3.
Генератор 7.3 предназначен для генерирования выходного сигнала второй схемы ФАПЧ 7 в ответ на управляющий сигнал генератора. В частности, генератор 7.3 изменяет частоту выходного сигнала второй схемы ФАПЧ 7 в ответ на изменение уровня напряжения входного управляющего сигнала генератора. Генератор 7.3 может быть высококачественным генератором, например кварцевым генератором, для удовлетворения дополнительных требований по спектральной чистоте.
Делитель 7.4 подключен к выходу генератора 7.3 для приема выходного сигнала второй схемы ФАПЧ 7. Делитель 7.4 служит в качестве делительного средства схемы ФАПЧ 7, которое принимает выходной сигнал схемы ФАПЧ 7 и генерирует поделенный сигнал, соответствующий по частоте выходному сигналу, деленному на N. Поделенный сигнал подается на другой вход фазового детектора 7.1 и имеет частоту, равную или близкую к входной величине. Изменение величины N делителя 7.1 фактически увеличивает разницу в частоте, воспринимаемую фазовым детектором 7.1 и вызывает изменение конечной выходной частоты. Результирующий выходной сигнал генератора 7.3 первой схемы ФАПЧ 7 является спектрально чистым опорным сигналом, частота которого увеличивается пропорционально величине N делителя.
Принцип действия составляющих третьей 8 и четвертой 9 схемы ФАПЧ аналогичен принципу действия первой схемы ФАПЧ 3. Вторая схема ФАПЧ 7 имеет функцию чистящего кольца опорного сигнала для ЦВС 1. Третья 8 и четвертая 9 схемы ФАПЧ предназначены для увеличения перекрываемого диапазона частот.
Использование третьей 8 и четвертой 9 схем ФАПЧ на 2200 и 2600 МГц позволяет расширить выходной диапазон частот предлагаемого устройства.
Выходной диапазон частот с ЦВС 1 является узкополосным, а фильтрующее кольцо ФАПЧ 3 является широкополосным, что улучшает быстродействие устройства в целом.