Лекции_Синтезаторы частот

1. Синтезаторы частот.

Кафедра Электронных и квантовых средств передачи
информации
Синтезаторы частот.
Лектор: проф. Данилаев Максим Петрович

2.

Список литературы
1. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов : Учебное пособие для вузов / Л.А. Белов.- М.: САЙНСПРЕСС, 2002.- 80 с..- (Конспекты лекций по радиотехническим дисциплинам Вып. 9)
2. Формирование прецизионных частот и сигналов : учебное пособие для вузов / Н.П. Ямпурин, В.В.
Болознев, Е.В. Сафонова [и др.].- Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т, 2003.- 187 с
3. Д.Н. Шапиро, А.А. Паин Основы синтеза частот.
4. Белов Л.А. Формирование стабильных частот и сигналов.
5. Шахгильдян, Ваган Ваганович Системы фазовой автоподстройки частоты / Шахгильдян, Ваган
Ваганович.- 2-е изд.,доп. .- М.: Связь, 1972.- 447с
6. Радиопередающие устройства. Шумилин М.С., Головин О.В., Севальнев В.П., Швецов Э.А.-М.,
Высшая школа, 1981.-293с.
7. Григорьянц, Виль Валентинович Квантовые стандарты частоты / Григорьянц, Виль Валентинович.М.: Наука, 1968.- 288c.

3.

Синтезом частот называют процесс получения одного или нескольких колебаний с
нужными номинальными значениями частот из конечного числа исходных
колебаний путем преобразования частот (сложения, вычитания, умножения,
деления их на рациональные числа).
Устройства, реализующие процесс синтеза частот называют синтезаторами частот.
Обобщенная структурная схема
F00
ОГ
F01
F02
ДОЧ
СЧ
F10
ДСЧ
F11
F12
Исходные колебания получают от высокостабильных генераторов, которые
называют опорными. Колебания таких генераторов называют опорными
колебаниями или опорными частотами. Если опорный генератор один, то систему
называют одноопорной, в противном случае – многоопорной.
Совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на
выходе СЧ и следуют друг за другом через заданный интервал называют сеткой
частот.

4.

Интервал между соседними номинальными значениями частот, входящими в сетку
частот, называют шагом сетки частот:
f m 10n n Z
Декадный СЧ
f m 2n n Z
Двоичный СЧ
f вых ... n 210 2 n 110 1 n0100 n1101 n2102 ...
Обычно на выходе СЧ требуется получить гармонические колебания:
Uвых U0 cos t
Пусть:
U1 U 01 cos 1t 1 U 01 cos 1 t
U 2 U 02 cos 2t 2 U 02 cos 2 t
Если
1 t
1
n
или
lim
n
t 2 t
То колебания называют взаимнокогерентными. Такие колебания возможно
получить только в одноопорных СЧ. Это связано с тем, что любые колебания
нескольких опорных генераторов не могут быть когерентными.

5.

Области применения СЧ.
СЧ позволяют заменить в существующей аппаратуре несколько различных
автогенераторов. Такая замена дает следующие преимущества:
Повышается точность настройки и стабильность частоты;
1. Возможно программное изменение частот с высокой скоростью, принципиально
не достижимой в автогенераторах;
2. Отпадает потребность в большом числе прецизионных элементов. Системы
когерентного СЧ не содержат прецизионных элементов;
3. Улучшается отношение сигнал/шум на выходе радиотракта, вследствие
снижения уровня паразитных составляющих в спектре возбудителя колебаний;
4. Упрощается процесс настройки радиоаппаратуры;
5. Открываются новые возможности получения радиосигналов.
Пример использования СЧ в структурной схеме радиоприемника с двойным
преобразованием частоты:
Fпр1
Fпр2
Fc
УРЧ
См1
УПЧ
См2
Fг1
ДСЧ
ОГ
ДОЧ
Fг2

6.

Классификация СЧ
1. По числу опорных колебаний:
- когерентные;
- некогерентные.
2. По методу синтеза совокупности (сетки) частот:
- синтезаторы пассивного типа. В этих СЧ отсутствует цепь фазовой
автоподстройки частоты (ФАПЧ);
- синтезаторы активного типа. ФАПЧ присутствует;
- цифровые вычислительные синтезаторы частот. Синтезируемое колебание
создается с помощью вычислительной техники с последующим
цифроаналоговым преобразованием.
3. По виду колебаний:
- аналоговые;
- цифровые (импульсная последовательность);
- числовые (кодовая последовательность).
4. По виду сетки частот:
- эквидистантные;
- неэкваидистантные.
5 По числу одновременно генерируемых колебаний.

7.

Основные технические характеристики СЧ
1. Выходное колебание СЧ (временное представление)
Выходное колебание СЧ моногармоническое:
U U cos t
вых
0
Фаза колебания определяется выбором начала отсчета, и, как правило, равна
нулю. Реальные колебания имеют отличия от колебаний идеального СЧ.
1) Реальное колебание всегда конечно во времени.
Характерное время затухания обратнопропорционально полосе пропускания СЧ:
1
F
2) Амплитуда и фаза выходного колебания реального СЧ флуктуируют:
Uвых U0 T cos t T ; T
t
В общем случае, возможно записать:
Uвых U0 t cos a t ;
Представление является неоднозначным. Неоднозначность возможно устранить с
помощью преобразований Гильберта:

8.

U t U
2
вых
t t ;
2
вых
вых t
a t arctg
;
U вых t
1 U вых
вых t
d
t
Смысл преобразований Гильберта заключается в том, что каждая из
гармонических составляющих выходного колебания СЧ сохраняет амплитуду и
частоту, на поворачивается по фазе на 90 градусов в сторону запаздывания.
Мерами отличия квазигармонического колебания от моногармонического служат
паразитные отклонения амплитуды, частоты и фазы. Интервал времени, по
которому проводится усреднение следует выбирать с учетом возможностей
измерительной аппаратуры и удобства выполнения измерений.
U t U t U t

9.

1. Выходное колебание СЧ (спектральное представление).
Для представления сигнала СЧ в спектральной области используется
преобразование Фурье. Пример Спектрального представления приведен на
рис.
Для количественной оценки чистоты спектра вводят понятие уровня побочных
спектральных составляющих:
U поб f , F
D 20 lg
U
Δf – отстройка от номинальной частоты; ΔF – ширина заданной полосы частот.
2. Диапазон частот рабочего колебания – область частот, лежащая между
максимальным и минимальным номинальными значениями частоты рабочего
выходного колебания.
3. Шаг сетки частот рабочего колебания.
4. Выходное напряжение на заданное сопротивления нагрузки.
5. Уровень побочных спектральных составляющих выходных колебаний.

10.

Синтезаторы частот пассивного типа
Синтезаторы частот пассивного типа делятся на когерентные и некогерентные
синтезаторы частот.
Некогерентные синтезаторы частот (СЧ) имеют несколько опорных колебаний, а
совокупность частот на выходе получается варьированием этих частот (делением,
умножением, суммированием). Пример структурной схемы такого СЧ:
ОГ1
СМ1
ПФ1
ОГ2
СМ2
ПФ2
ОГ3
СЧ называют дважды некогерентными (см. структурную схему) если опорные
генераторы строятся на разных кварцах. Частотный план таких СЧ:
ω
ω11
ω12
ω13
Вторая цифра отражает номер кварца, который подключается в схему кварцевого
автогенератора. На выходе СМ1 получаем спектр частот, из которого ПФ1
выделяет нужную частоту. В такой схеме легко получить декадную сетку частот:
ω1=10 ω2=100 ω3.

11.

Синтезаторы частот пассивного типа
Структурная схема некогерентного СЧ может быть переформирована в
структурную схему когерентного СЧ, если вместо нескольких опорных генераторов
использовать делители частоты.
ОГ
СМ1
ДЧ1
ПФ1
СМ2
ПФ2
ДЧ2
В приведенной схеме возможно выполнить условие деление частоты на 10.
Основным недостатком пассивных СЧ является высокий уровень побочных
спектральных составляющих, а также сложность реализации полосовых фильтров
(ПФ). При проектировании полосовых фильтров необходимо обеспечить узкую
полосу пропускания для выделения одной гармонической составляющей.
Переходные процессы в таких фильтрах происходят медленно: характерное время
переходного процесса обратно пропорциональна полосе пропускания фильтра.
При этом требуется перестройка полосовых фильтров в большой полосе частот.
Большое время установления приводит к снижению быстродействия таких СЧ.
Перестройку ПФ осуществляют, как правило электронным образом. Для этого в
колебательные контура включают варикапы. Значение емкости задают подачей на
варикап постоянного высокостабильного напряжения.

12.

Синтезаторы частот пассивного типа
Для повышения быстродействия пассивных СЧ в них используют полосовые
фильтры (ПФ) с двойным гетеродинированием. Это позволяет облегчить решение
задачи обеспечения узкой полосы пропускания при относительно быстрой
перестройки фильтра в большой полосе частот.
ω‘
ωi
ω‘’
СМ1
ПФ1
СМ2
ωг
' г- i<< i
Генератор
Такая схема осуществляет перенос спектра в НЧ область. В НЧ области спектра
проще обеспечить высокую добротность фильтра. После фильтрации
осуществляется обратный перенос спектра колебания:
'' г+ '
В процессе обратного переноса спектра колебания могут появиться побочные
2. Нестабильность
гетеродина нейтрализуется в процессе двух операций
спектральные
составляющие.
преобразованиятакой
частоты.
Поэтому
нестабильность ω’’ близка к нестабильности ωi.
Достоинствами
схемы
являются:
1. Возможность перестройки гетеродина позволяет не менять настройки ПФ при
изменении частоты ωi. Это, в свою очередь позволяет обеспечить высокую
добротность ПФ.

13.

Синтезатор частот по интерполяционной схеме
Первые прямые СЧ часто строились по интерполяционной схеме на рис..
КАГ 1
fКВ
Выходная частота
±nfКВ ±mFКВ
Смеситель
КАГ 2
FКВ
Фильтр
f = fКВ ±FКВ
Рис.1б
Возбудитель имеет в своём составе два кварцевых АГ со сменными ВЧ и
НЧ кварцами: КАГ 1 имеет n КвР с частотами fКВ1, fКВ2,…, fКВn, КАГ 2 имеет m
КвР с низкими частотами FКВ1, FКВ2,…, FКВm .
Если выбрать Δf0 = fКВ К – fКВ К-1, (где к = 2, 3,…, n;) - шаг между частотами ВЧ
КвР, и шаг сетки ΔF0 = Δf0/m = FКВ К – FКВ К-1, (где к = 2, 3,…, m;) шаг НЧ КвР,
получим общее число рабочих частот N= 2nm в диапазоне от fМИН= fКВ1-FКВm
до fМАКС= fКВn+FКВ1.
13

14.

fКВ1
fКВ2
fМИН
Сетка частот при использовании
2 ВЧ и 2 НЧ кварцевых резонаторов
fМАКС
(fКВ1-FКВ2)
(fКВ2-FКВ2)
(fКВ1-FКВ1)
(fКВ1+FКВ1)
(fКВ2-FКВ1)
(fКВ2+FКВ1)
(fКВ1+FКВ2)
f
(fКВ2+FКВ2)
В интерполяционной схеме стабильность частоты выходных колебаний в
основном определяется стабильностью ВЧ КАГ. Для рабочей частоты f = fКВ К ±
FКВi в силу независимости частот АГ абсолютная нестабильность частоты
равна
f f КВ К FКВi ,
относительная нестабильность
f КВ К f КВ К
f f КВ К FКВi
FКВi FКВi
.
f
f КВ К FКВi
1 FКВi f КВ К f КВ К FКВi 1
Если fКВ К >> FКВi, то
f f КВ К FКВi FКВi
,
f
f КВ К
f КВ К FКВi
то есть общая нестабильность складывается из нестабильности ВЧ АГ и
уменьшенной в n f КВ К / FКВi
раз нестабильности частоты НЧ АГ.
14

15.

16.

Метод прямого синтеза частот
Под прямым синтезом частот понимается преобразование частоты ЭГ fэт с
помощью арифметических операций умножения, деления, сложения или
вычитания
(m fэт, fэтn, mfэт/n, (m1/n1±m2/n2)fэт и другие), где mi, ni – целые числа.
ЭГ
ГГ
fэг
n
mf
m 1
ЭГ
СГ
U
f
mf ЭГ
П
f
f 2f 3f 4f 5f 6f if nf
ЭГ- эталонный генератор;
ГГ- генератор гармоник (ГГ), преобразует синусоиду в прямоугольные
импульсы той же частоты;
СГ- селектор гармоник (СГ).
В синтезаторах, построенных с использованием генератора гармоник, из
колебания эталонного генератора ЭГ с помощью генератора гармоник
формируются короткие прямоугольные импульсы. Если длительность
импульсов в q раз меньше, чем период T=1/fэт, то амплитуды гармоник
изменяются по закону
2 sin n / q
An
q
n / q
и уменьшаются не более, чем вдвое для n<q/5.
16

17.

Если на выходе ГГ включить резонансный контур с ударным возбуждением
с fрез=mfэт, то огибающая спектра гармоник слабо изменяется для
кратностей n
(m-q/5)<n<(m+q/5)
Например, при скважности импульсов q=100 можно получить 20
гармоник эталонной частоты fэг .
Временные (а) и спектральные (б) характеристики
формирования опорных частот

18.

С помощью селектора гармоник из спектра импульсов выделяется сигнал
требуемой рабочей частоты mfэг.
При большом m повышаются требования к полосовому фильтру
(необходима узкая полоса пропускания и крутые скаты его АЧХ).
Кроме того, при большом числе рабочих частот СГ необходимо
перестраивать в широком диапазоне, что трудно осуществить на практике.
Для решения этой задачи используют компенсационную схему с
двойным преобразованием частоты ( или схема с вычитанием
ошибки).
18

19.

Синтезатор частоты по компенсационной схеме
(схема с вычитанием ошибки)
fпг= mfэг+fпр
СМ1
+ -
СМ2
+
mf ЭГ
ПГ
Ф
mf ЭГ
+
УФ
fпр= mfэг- fпг=const
f = fЭГ
fвых =mfэг- fпг+ fпг
К предыдущей схеме добавляются следующие функциональные узлы:
СМ1 и СМ2 – смесители;
УФ - неперестраиваемый узкополосный фильтр (например, кварцевый), с
полосой пропускания меньше шага сетки f ( f < FС= fЭГ);
ПГ - перестраиваемый генератор (с нестабильностью fПГ<1/2 fЭГ).
ПГ перестраивается так, чтобы на выходе узкополосного фильтра УФ
выделялась необходимая гармоника (промежуточная частота).
Ф - перестраиваемый фильтр (подавить зеркальный канал и др.)
19
Требования к нему не высоки.

20.

Так как результирующая рабочая частота не зависит от частоты
гетеродина, то стабильность выходной частоты определяется только
стабильностью эталонного генератора. Схема и конструктивно проста.
С помощью единственной операции умножения невозможно получить
густую сетку частот большого объема.
Один из простейших методов прямого синтеза состоит в
последовательном суммировании частот с заданным шагом fс.
ДОЧ – датчик опорной частоты. Пусть каждая из частот f1, f2, f3,...fm
принимают k значений, тогда рабочая частота fp будет иметь km значений.
Ф1 – Фm – перестраиваемые фильтры, что очень плохо (сложно).
100
Гц
1
кГц
10
кГц
10m-2
кГц
Схема СЧ с последовательным суммированием
частот
20

21.

Цифровые синтезаторы частот прямого синтеза
Структурная схема такого синтезатора, выполнена полностью на цифровых
интегральных микросхемах.
Цифровой СЧ на
основе
суммирования импульсных
последовательностей
Сигнал высокостабильного опорного генератора (ОГ) поступает на триггерный счетчик
— делитель (Д), состоящий из п двоичных разрядов (на рис. три разряда).
На выходе каждого делителя (Д1, Д2, Д3) получаются две последовательности
импульсов.
Частота импульсов на выходе каждого делителя в 2 раза меньше частоты на входе.
С выходов делителей 1', 2', 3' и т. д. импульсные последовательности поступают на один
вход схемы И. На другой вход схемы И поступает 1 или 0 сигнал с регистра кода частоты.

22.

Эпюры импульсных
последовательностей
в цифровом синтезаторе
частот

23.

Если в i-том разряде регистра частоты записана 1, то соответствующая
импульсная последовательность проходит на схему ИЛИ, если записан 0, то
схема И закрыта и импульсная последовательность на нее не проходит.
На выходе схемы ИЛИ происходит суммирование соответствующих
последовательностей импульсов в соответствии с заданным кодом частоты.
В результате получается импульсная последовательность с неравномерной
расстановкой импульсов.
Средняя частота импульсов определяется кодом, записанным в регистре
частоты.
Для уменьшения неравномерности импульсов на выходе схемы ИЛИ
включают делитель частоты (Д) с коэффициентом деления N.
Чем выше коэффициент деления, тем лучше равномерность выходной
импульсной последовательности и тем меньше уровень побочных частот в
выходном спектре синтезатора. Но частоты такого СЧ при заданной частоте ОГ
оказываются низкими.

24.

Структурная схема СЧ с цифровым формированием отсчетов синтезируемого
колебания
Цифровой синтезатор прямого синтеза
(Direct Digital Synthesis- DDS)
Задача DDS — получить на выходе сигнал синусоидальной формы заданной частоты. Поскольку в DDS
формирование выходного сигнала происходит в цифровой форме, совершенно очевидна необходимость
цифро-аналогового преобразования. Это означает, что в структуре DDS должен быть ЦАП. В любом
случае на выходе ЦАП должен присутствовать ФНЧ для подавления образов выходного спектра,
повторяющихся с периодичностью FCLK (anti-aliasing filter). Для получения синусоидального сигнала на
вход ЦАП необходимо подать последовательность отсчетов функции sin, следующих с частотой
дискретизации FCLK. Закон изменения функции sin во времени сложен и цифровыми методами просто не
реализуется. Можно, конечно, используя полиномиальное представление, вычислять значения функции sin
с помощью АЛУ. Однако такой метод вряд ли будет быстродействующим, а высокое быстродействие как
раз является одним из основных требований к DDS. Поэтому наиболее подходящим методом
формирования отсчетов функции sin является табличный метод. Перекодировочная таблица (Look Up
Table) чаще всего размещается в ПЗУ. Код, который подается на адресные входы ПЗУ, является
аргументом функции sin, а выходной код ПЗУ равен значению функции для данного аргумента. Аргумент
функции sin или фаза, в отличие от значения функции, меняется во времени линейно. Сформировать
линейно меняющуюся во времени последовательность кодов гораздо проще. Это способен сделать
простой двоичный счетчик. Поэтому простейший DDS выглядит так: двоичный счетчик формирует адрес
для ПЗУ, куда записана таблица одного периода функции sin, отсчеты с выхода ПЗУ поступают на ЦАП,
который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ и
поступающий на выход (рис. 3). Для перестройки выходной частоты используется делитель с переменным
коэффициентом деления, на вход которого поступает тактовый сигнал с опорного генератора.

25.

Такая структура DDS имеет очевидные недостатки. Основным из них является неудовлетворительная
способность к перестройке по частоте. Действительно, поскольку тактовая частота испытывает деление на
целое число, шаг перестройки будет переменным, причем чем меньше коэффициент деления, тем больше
относительная величина шага. Этот шаг будет недопустимо грубым при малых коэффициентах деления.
Кроме того, при перестройке выходной частоты будет меняться и частота дискретизации. Это затрудняет
фильтрацию выходного сигнала, а также ведет к неоптимальному использованию скоростных
характеристик ЦАП — они будут в полной мере использованы лишь на максимальной выходной частоте.
Гораздо логичнее всегда, независимо от выходной частоты, работать на постоянной частоте
дискретизации, близкой к максимальной для используемого ЦАП.
Этот недостаток устраняется путем замены адресного счетчика ПЗУ накапливающим сумматором,
который в каждом такте работы устройства перезагружается величиной, равной старому
содержимому, плюс некоторая постоянная добавка (рис.). Как и для счетчика, содержимое регистра
линейно увеличивается во времени, только приращение зависит от величины постоянной добавки.

26.

27.

Когда накапливающий сумматор используется для формирования кода фазы, его еще
называют аккумулятором фазы. Выходной код аккумулятора фазы представляет собой
код мгновенной фазы выходного сигнала. Постоянная добавка представляет собой
приращение фазы за один такт работы устройства.
Чем быстрее изменяется фаза во времени, тем больше частота генерируемого
сигнала. Поэтому значение приращения фазы фактически является кодом выходной
частоты. Аккумулятор фазы работает с периодическими переполнениями, обеспечивая
арифметику по модулю 2N. Такое периодическое переполнение соответствует
периодическому поведению функции sin с периодом 2π. Другими словами, частота
переполнений аккумулятора фазы равна частоте выходного сигнала. Это частота
определяется формулой:
FOUT = M·FCLK/2N
где FOUT – выходная частота,
FCLK – тактовая частота,
M – код частоты,
N – разрядность аккумулятора фазы.
По существу, тактовая частота испытывает деление на некоторое число, которое
определяется кодом частоты и разрядностью аккумулятора фазы N. При этом шаг
перестройки частоты не зависит от ее значения и равен
∆ FOUT = FCLK/2N

28.

Основные преимущества DDS:
• цифровое управление частотой и фазой выходного сигнала;
• очень высокое разрешение по частоте и фазе;
• экстремально быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка
по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий,
связанных с временем установления;
• архитектура, основанная на DDS, ввиду очень малого шага
перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной
подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность
параметрической температурной компенсации;
• цифровой интерфейс легко позволяет реализовать микроконтроллерное
управление;
• для квадратурных синтезаторов имеются DDS с I и Q выходами,
которые работают согласованно;
• поскольку выходной сигнал синтезируется в цифровом виде, очень
просто осуществить модуляцию различных видов.

29.

С процессом дискретизации и цифро-аналогового преобразования,
который имеет место в DDS, связаны и некоторые ограничения:
• максимальная выходная частота не может быть выше половины тактовой
(на практике она еще меньше). Это ограничивает области применения
DDS на HF и часть VHF диапазона;
• отдельные побочные компоненты на выходе DDS могут быть значительно
большими, чем у других видов синтеза. Спектральная чистота
выходного сигнала DDS сильно зависит от качества ЦАП;
• потребляемая DDS мощность практически прямо пропорциональна
тактовой частоте и может достигать сотен милливатт. При больших
тактовых частотах DDS могут оказаться непригодными для устройств с
батарейным питанием.

30.

Кроме интегрированного ЦАП DDS могут иметь цифровые блоки,
выполняющие над сигналом дополнительные операции:
• встроенный умножитель опорной частоты;
• инверсный sinc фильтр для компенсации неравномерности АЧХ;
• дополнительный цифровой умножитель для амплитудной модуляции;
• дополнительный ЦАП для получения квадратурных сигналов I и Q;
• дополнительный компаратор с низким джиттером для получения
цифрового тактового сигнала;
• дополнительные регистры частоты и фазы, которые могут быть
заранее
запрограммированы для осуществления высокоскоростной модуляции.

31.

Цифровые cинтезаторы прямого синтеза фирмы Analog Device

32.

Синтезатор непрямого (активного) синтеза
ДОЧ
ЭГ
ФАП
ФД
ГГ
fЭГ
f
eу
ЭГ
fПГ=mfЭГ
eФД
n
m 1
fПГ
П
mf
ПГ
f
e
ЦУ
УЧ
СЧ - синтезатор частоты
ФД - фазовый дискриминатор
ГГ - генератор гармоник
ПГ - настраивается грубо,
ФАП обеспечивает точную настройку.
ФАП - не только приравнивает частоту, но и узкополосный фильтр для
выбора нужной частоты из сетки частот.
Полосу пропускания ФАП можно сделать сколь угодно малой для
улучшения фильтрации, но это затрудняет вхождение в синхронизм.
Недостаток: малое число дискретных частот на выходе.

33.

Модуляционная характеристика ПГ с управителем частоты
f=f0+ Sу eу
где Sу - крутизна модуляционной характеристики, [Гц/В]; eу – управляющее напряжение, [В].
Различают три режима работы ФАПЧ:
Режим синхронизма. fПГ=fЭГ, = i=const. При этом медленные изменения частоты
компенсируются действием системы ФАПЧ (режим удержания).
С понятием режима удержания связано понятие полосы удержания – полосы начальных
расстроек ПГ и ЭГ по частоте, в которой режим синхронизма возможен.
Режим квазисинхронизма, когда средняя разность частот ПГ и ЭГ равна нулю, а
периодически меняется (нерабочий переходной режим).
Режим биений. fПГсредняя fЭГ, начальная расстройка ПГ относительно ЭГ больше полосы
удержания.
Область начальных расстроек ПГ и ЭГ, в которой при любых начальных условиях
устанавливается режим синхронизма (удержания) называют полосой захвата.
Обычно в момент включения системы fПГ и fЭГ не совпадают и наблюдается режим
биений. Т.е. fПГ модулируется по частоте напряжением биений. В зависимости от знака
мгновенного напряжения частота биений f = fПГ - fЭГ то повышается, то понижается. В
результате разной длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения
биений на выходе ФД формируется некоторая постоянная составляющая, которая
перестраивает fПГ и снижает частоту биений f до нуля.

34.

Системы ФАПЧ позволяют осуществить ряд операций: суммирования
частот, умножения и др.

35.

Для формирования большого числа частот в широком частотном
диапазоне системы ФАПЧ могут содержать два и более колец ( петель)
ФАП.

36.

Синтезаторы частот активного типа с двухпетлевой ФАПЧ
Принцип построения СЧ с несколькими петлями ФАПЧ позволяет обеспечить
большие функциональные возможности, по сравнению с однопетлевыми СЧ.
Структурные схемы двухпетлевых СЧ с ФАПЧ, отличающиеся назначением,
взаимным расположением петель ФАПЧ и их взаимосвязью, приведены ниже.

37.

Первая структурная схема (а) широко используется в связных радиостанциях.
ФАПЧ – 1 формирует частоту радиопередатчика fпд, вторая – является
гетеродином приемника и формирует частоту гетеродина fгет. Следует отметить,
что частота приема и частота передачи оказываются связанными между собой:
f ПД f ПР const;
f пром f ПР f ГЕТ const.
Это равенство справедливо для многих радиосистем во всем диапазоне частот,
отведенном данной радиосистеме. Если все частоты сделать кратными шагу сетки
частот, то
nПД nГЕТ nпром nconst
Поскольку обычно,
nГЕТ nпром nconst
то обе ФАПЧ можно сделать одинаковыми, в том числе и по опорной частоте.

38.

Во второй схеме СЧ (б) две ФАПЧ соединены последовательно. По существу,
первая ФАПЧ является продолжением блока БОЧ и формирует опорную частоту
для второй. Таким путем возможно реализовать СЧ с переменным шагом сетки.
В третьей структурной схеме (в) устранен главные недостаток однопетлевой
ФАПЧ, связанный с ухудшением чистоты спектра при уменьшении шага сетки. При
этом необходимо, чтобы шаг сетки частот ФАПЧ – 2 был гораздо меньше шага
сетки частот ФАПЧ – 1.
Пусть частота f1 больше высшей частоты дестабилизирующих возмущений, а f2 и
f3 определяются требованиями к сетке частот по величине шага. Тогда ФАПЧ1
создает редкую сетку, а ФАПЧ 2 – густую сетку:
f c n1 f1 n2 f 2
Относительное расположение частот
и АЧХ фильтров обеих ФАПЧ.
Спектр дестабилизирующего
воздействия показан штриховой
линией.

39.

Достоинством СЧ, построенного по структурной схеме (в) состоит в том, что его
быстродействие определяется полосой фильтра ФАПЧ 1, поскольку в этой ФАПЧ
происходит сравнение приведенной выходной частоты с опорной. Первая ФАПЧ
компенсирует все дестабилизирующие эффекты, в том числе и те, что возникли в
ФАПЧ2. С другой стороны, густоту сетки СЧ определяет ФАПЧ2.
В двухпетлевом СЧ нет однозначной связи быстродействия со временем
переключения, как в однопетлевом СЧ. В процессе переключения частоты
задействована ФАПЧ2, и окончательное установление новой частоты зависит от
свойств ее ФНЧ. Уменьшение времени переключения может осуществляться теми
же методами, что и в однопетлевых СЧ.

40.

Синтезаторы частот активного типа с двухпетлевой ФАПЧ
Системы активного синтеза частот – системы когерентного синтеза частот, в
которых фильтрация колебаний синтезируемой частоты осуществляется с
помощью активного фильтра в виде кольца ФАПЧ или компенсационного кольца.
В случае, когда высшая частота внешнего воздействия, дестабилизирующего
работу СЧ, выше шага сетки частот используют синтезаторы частот с двухпетлевой
ФАПЧ. Структурная схема:
ФНЧ1
m1
ОГ
ДЧ1
n1
ФД1
ДПКД1
СМ1
ФД2
ДПКД2
ГУН2
m2
ДЧ2
n2
ФНЧ2
ГУН1

41.

ГУН 2 ОГ
;
n1
m1
2 ОГ .
n 2 m2
n1 n 2
ГУН
ОГ
m1 m2
Пусть внешнее воздействие осуществляется на верхний ФАПЧ (ФАПЧ – 1).
В общем случае, коэффициенты деления делителей частоты различны. Также
различны частоты фазовых детекторов. Частота настройки ФД1 больше, чем
высшая частота внешнего воздействия. Таким образом, верхняя ФАПЧ (ФАПЧ-1)
обеспечивает требуемое быстродействие.
Частота настройки второго фазового детектора ФД2 соответствует шагу сетки
частот. Таким образом нижний ФАПЧ (ФАПЧ – 2) обеспечивает требуемый шаг
сетки частот.
ОГ
Ш 1
m1
Аналогично, при воздействии на ФАПЧ – 2:
ОГ
Ш 2
m2

42.

Пусть m2>>m1. В этом случае, в отличии от однопетлевой ФАПЧ:
Ш 2 В Ш1
ФАПЧ -1 отвечает за быстродействие, а ФАПЧ – 2 за шаг сетки частот.
Если необходимо сменить частоту СЧ, на ФАПЧ – 2 необходимо подавать
управляющий сигнал на переключение частоты. Процесс установления этой
частоты ограничивается узкополосным фильтром ФАПЧ – 2. Поэтому время
переключения оказывается большим.

43.

Структурная схема более современного двухпетлевого СЧ:
ОГ
ДЧ1
m4
n1
m1
ФАПЧ - 1
ДЧ4
ω2
ДЧ3
m2
n2
ДЧ2
ФАПЧ - 2
ω1
СМ1
ПФ1
ω3
СМ2
ПФ2
Наличие на выходе смесителя и полосового фильтра характерно для СЧ
пассивного типа. Для таких СЧ характерно плохое подавление боковых
составляющих.
Достоинство: густоту сетки обеспечивает ФАПЧ – 1, последовательно которому
включен ДЧ4. Поэтому шаг сетки определяется
Ш 1
m4
Это дает возможность обеспечить полосу ФАПЧ – 1 в m4 раза большую, чем при
отсутствии ДЧ4. При этом необходимо:
Ш1 m4 В

44.

Выходная частота такого СЧ формируется следующим образом:
1 2 3 ;
n1
1
ОГ ;
m1 m 4
ОГ
2
;
m3
n2
3
ОГ .
m2
Верхний ФАПЧ обеспечивает густую сетку частот, а нижний – грубую сетку частот.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

Назначение атомных стандартов частоты
С помощью атомных стандартов частоты возможно осуществлять формирование и
измерение интервалов времени.
Особенности атомных стандартов частоты (АСЧ) заключаются в том, что::
- АСЧ это опорные генераторы (ОГ) с чрезвычайно стабильной опорной частотой,
номинал которой возможно выбирать;
- АСЧ это синтезатор частот со специфическими свойствами и структурой.
Различают два типа АСЧ:
- Первичные атомные стандарты частоты (АСЧ1);
- Вторичные атомные стандарты частоты (АСЧ2).
АСЧ1 предназначены для перевода естественных и высокоточных единиц частоты
и времени в единицы СИ. Точность АСЧ1 базируется на фундаментальных
физических константах, процессах в отдельных атомах и их ансамблях.
Решение основной задачи построения АСЧ разделяется на два этапа:
- Формирование естественной величины периода колебаний;
- Преобразование этой величины в единицы СИ.

52.

Физические основы построения АСЧ1

53.

Физические основы построения АСЧ1
Главное свойство АСЧ1 – точность, основано на наличии у любого атома
нескольких возможных состояний, характеризуемых уровнями энергии Ek,
возможности возбуждать атомы и инициировать переходы атомов с одного уровня
на другой с поглощением или излучением кванта энергии
Для получения радиочастоты атом должен иметь хотя бы одну пару очень близких
по энергии уровней:
Данному требованию удовлетворяют атомы водорода, и атомы двух щелочных
металлов, находящихся в парообразном состоянии: цезия и рубидия.
Водород является активным веществом (активным элементом) в водородном
мазере, излучение которого лежит в дециметровом диапазоне длин волн. Свойства
атомов водорода позволяют обеспечить инверсию населенностей энергетических
уровней. Это приводит к самовозбуждению и устойчивой генерации
электромагнитных колебаний в резонансной камере. Такой генератор возможно
использовать в качестве ОГ.
В АСЧ1 на цезии и рубидии такой эффект неосуществим. В таких АСЧ внешнее
СВЧ поле стимулирует изменение энергетического состояния атомов, что
фиксируется различными способами. Фактически такие АСЧ работают как
детекторы.

54.

Принципы действия и конструкции первичных атомных стандартов
Водородный стандарт
1 – колба с молекулярным водородом;
2 – диссоциатор, в котором молекулярный водород разлагается на атомы;
3 – генератор накачки (ВЧ генератор, возбуждающий атомы водорода)
4 – коллиматор, формирует узкий пучок возбужденных атомов водорода;
5 – магнит, обеспечивает отклонение невозбужденных атомов водорода;
6 – резонатор. 7 – электромагнит. 8 – стабильный источник тока. 9 – магнитный
экран. По достижении пороговой концентрации возбужденных атомов водорода с
ориентированными спинами в резонаторе возникает эффект стимулированного
излучения. 10 – насос для прокачки водорода.
fH~1420405751,77…Гц
Ненагруженная
добротность ~5 104
Вых.
мощность ~10-13Вт

55.

Принципы действия и конструкции первичных атомных стандартов
Нестабильность частоты водородного стандарта обусловлена:
- Соударение атомов водорода со стенками резонатора;
- Колебание спинов, обусловленное нестабильностью магнитного поля;
- Эффект Доплера;
- Непостоянство размеров резонатора.
Суммарный эффект – относительная нестабильность частоты ~10-11…10-12.

56.

Принципы действия и конструкции первичных атомных стандартов
Цезиевый стандарт.
Принцип действия основан на селекции атомов под действием внешнего
неоднородного магнитного поля. Атомы с разными энергетическими уровнями
отклоняются на разные углы. В область взаимодействия с внешним СВЧ полем
попадают преимущественно возбужденные атомы.
1 – подогреватель с цезиевой пластинкой; 2 – селектор; 3 – резонатор; 4 – СВЧ
генератор;5 – магнитный селектор; 6 – детектор.

57.

Принципы действия и конструкции первичных атомных стандартов
Достоинства:
1. Точное положение максимума
центрального пика;
2. Высокая крутизна склонов центрального
пика.
Нестабильность частоты определяется:
- Флуктуацией магнитных полей;
- Эффектом Доплера;
- Эффектом излучения черного тела.
- Главный недостаток – отличие формы АЧХ от классической. Однако при
малых расстройках этот недостаток устраним схемотехническими методами.

58.

Принципы действия и конструкции первичных атомных стандартов
Рубидиевый стандарт.
Принцип действия основан на излучении желтого света ансамблем возбужденных
атомов рубидия, а затем поглощением этого света другим, невозбужденным
ансамблем атомов рубидия. Второй акт происходит под влиянием СВЧ поля.
1 – рубидиевая лампа; 2 – желтый светофильтр; 3 – СВЧ резонатор, заполненный
парами рубидия; 4 – генератор возбуждения; 5 – фотодетектор.
F=6834685214,7…Гц

59.

60.

В рубидиевых стандартах частоты оптического диапазона источником стабильных колебаний
является лазер, работающий в особом режиме. Данные устройства используются гораздо
шире и чаще радиодиапазонных стандартов частоты, так как отличаются большей
устойчивостью сигнала и стабильностью частотных колебаний. Кроме того, принцип их
действия позволяет совмещать в одном приборе сразу два стандарта – частотный (время
колебаний) и волновой (измерение длины волны).
В зависимости от конструкции рубидиевый стандарт частоты может иметь разную частоту
сигналов. Она может быть задана изначально и не регулироваться, существуют агрегаты с
возможностью плавной регулировки частоты сигнала в широких пределах. Так же
производятся (и наиболее распространены) рубидиевые стандарты частоты (и времени) со
строго заданными частотами – например, 1, 5 и 10 МГц.
Для обеспечения максимальной точности источник опорной частоты зачастую привязывается
к сигналам системы ГЛОНАСС или GPS. Это позволяет добиваться высокой точности и
стабильности сигнала, характерной для водородных и цезиевых стандартов частоты,
которые являются наиболее точными из всех приборов подобного типа. В то время как
рубидиевый стандарт частоты отличается высокой стабильностью и точностью сигнала в
краткосрочных промежутках времени, с увеличением временного промежутка он может
давать критические отклонения (до 1 секунды в сутки), что является недопустимым во многих
областях техники. Сигналы же систем GPS или ГЛОНАСС, наоборот, отличаются высокой
стабильностью именно в долгосрочном отношении. Особенно это заметно на промежутках в
несколько часов. Поэтому такой вариант (с синхронизацией по системам спутниковой
навигации) позволяет применять более дешевые и простые в эксплуатации рубидиевые
стандарты частоты в различных сферах метрологии, науки и техники.

61.

62.

Вторичные атомные стандарты частоты
Для большинства практических приложений номиналы частот АСЧ1 неудобны изза большого числа значащих цифр. Неудобна и абсолютная величина частоты,
находящаяся в гигагерцовом диапазоне.
Задачи, решаемые АСЧ2:
- Транспонирование частоты АСЧ1 в диапазон МГц.
- Округление номинала частоты без потери точности до величины, кратной 1 МГц.
С учетом этих задач АСЧ2 часто называют синтезаторами вторичных опорных
частот. Синтезируется одна опорная частота, а сетка частот формируется
дополнительным СЧ.

63.

Вторичные водородный стандарт частоты

64.

Синтезатор вторичной опорной частоты
В качестве опорного генератора (ОГ) таких СЧ используют атомные стандарты
частоты. СЧ строят таким образом, чтобы получить требуемую выходную частоту.
Например, f=1÷10МГц с шагом сетки Δf=1,0000000 МГц. В этом случае, в качестве
ОГ используют водородный лазер f Н2=1420405751,6 Гц.
Одной из особенностей синтезаторов вторичных опорных частот является
отсутствие требований к скорости переключения частот. Пример структурной
схемы:
fH2
СМ
ПФ
ФД
F2, n2
F1, n1
ФАПЧ - 1
ФНЧ
ГУН
f
ФАПЧ - 2

65.

f 2 f H 2 f1 ;
f 2 f n 2;
f1 f n1.
Основной задачей является снизить частоту генерации. Для этого необходимо
подбирать n1 и n2 так, чтобы получить требуемое значение частоты.
Для различных значений частоты f, частота f2 будет своя. Причем, f2>Fв.
Например, требуется обеспечить f=5МГц. Нестабильность частоты в соответствии
с существующими требованиями должна быть 10-8. Т.е. необходимо сохранять в f 8
знаков.
F1=1,4000….. ГГц; f2=20,405(7) МГц; n1=280.
Особенностью ФАПЧ – 2 является дробный коэффициент деления. Пример
структурной схемы ФАПЧ – 2:
m
f
ДЧ
n
ФД
ДПКД
f2
ГУН
f2
n2
f
ФНЧ
Быстродействие СЧ вторичной опорной частоты ограничивается полосой
пропускания полосового фильтра во втором ФАПЧ.