Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Один из возможных вариантов схемы генератора задержек показан на рисунке 16. При отсутствии импульса с выхода ДДПКД ключ замкнут, что предотвращает заряд конденсатора C от источника тока.

Рис.16. Схема генератора задержек

В то же время триггер находится в состоянии «0». С появлением упомянутого импульса ключ размыкается, и источник тока заряжает конденсатор C по линейному закону. Напряжение с конденсатора сравнивается в компараторе с напряжением на выходе ЦАП, и при их равенстве возникает импульс на выходе компаратора, который переводит триггер в состояние «1». Временной интервал между импульсами с выходов ДДПКД и триггера является линейной функцией напряжения с выхода ЦАП. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы максимальное напряжение с выхода ЦАП соответствовало задержке, равной одному периоду импульсов опорной частоты Fr.

По эффективности действия рассмотренные выше схемы примерно эквивалентны. Из-за относительно невысокой точности цифро-аналогового преобразования, суммирования и аналогового интегрирования в них не удаётся достичь высокой спектральной чистоты сигнала, чем и ограничивается область их использования.

3.4. Схема Ундервуда

Схема представлена на рисунке 17 [44]. В качестве ДДПКД в ней используется накапливающий сумматор (аккумулятор) для деления опорной частоты Fr с коэффициентом N=Q/A, где Q – ёмкость аккумулятора, а A – накапливаемое им число, содержащееся в управляющем коде N. Импульсы переполнения аккумулятора поступают на один из входов фазового детектора ФД, являясь, таким образом, «опорой» для петли ФАПЧ, формирующей частоту Fc сигнала. Другой вход ФД подключен к выходу ГУН.

Рис.17. Схема Ундервуда

В итоге, частота сигнала Fc равна средней частоте импульсов на выходе аккумулятора, то есть

F_c=F_r/N=AF_r/Q.

Для компенсации помех дробности здесь используется ЦАП. В нём остатки от переполнения аккумулятора преобразовываются к аналоговому виду, и этот процесс складывается в сумматоре в противофазе и с соответствующим весом с выходным сигналом фазового детектора, благодаря чему помеха дробности устраняется. Фильтр ФНЧ служит для подавления компонентов с частотой Fc и их гармоник, а также остатков высокочастотных составляющих помехи дробности.

Уровень помех дробности на выходе синтезатора зависит как от точности ЦАП, так и от точности суммирования сигналов в сумматоре. Правда, весовые соотношения складываемых сигналов постоянны, и это облегчает достижение более высокого уровня компенсации, чем в схеме Бреймера-Джиллета и в схеме с интегратором, рассмотренных выше.

Также важно заметить, что частота Fc сигнала ниже опорной частоты Fr. Чтобы поднять частотный диапазон сигнала вверх, можно дополнительно включить делитель частоты в сигнальный тракт. Если его коэффициент деления равен M, то получим частоту сигнала Fc, равную

F_c=F_r/N=AMF_r/Q.

Но при этом, естественно, помехи дробности в спектре сигнала возрастут на 20lgM дБ.

Возможен и такой вариант, когда аккумулятор в роли ДДПКД, включен в сигнальный тракт. Но тогда потребуются средства для управления весовыми соотношениями в сумматоре, как это имело место в схеме с интегратором и в схеме Бреймера-Джиллета. Это неизбежно приведёт к снижению суммарной точности компенсации, то есть к ухудшению спектральной чистоты сигнала.

3.5. Вариант с импульсным ФД типа «выборка-хранение»

Схема варианта представлена на рисунке 18 [45]. Она содержит последовательно включенные аккумулятор, ЦАП, фильтр нижних частот и импульсный детектор типа «выборка-хранение» Её работа поясняется с помощью рисунка 19.

Рис.18. Вариант с ФД типа «выборка-хранение»

Рис.19. Временные диаграммы, поясняющие работу детектора на рисунке 18.

Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. В качестве примера, он содержит 4 двоичных разряда, и код на его входе равен R=5. Импульсный, ступенчатый процесс в аккумуляторе и, соответственно, пропорциональное ему напряжение на выходе ЦАП включают в себя две пилообразные компоненты: непериодическую G и периодическую H с опорной частотой Fr. Высокочастотная компонента H подавляется фильтром нижних частот, а низкочастотная компонента G проходит на аналоговый вход детектора типа «выборка-хранение».

На импульсный вход детектора подаются импульсы сигнальной частоты Fc, производящие выборки из компоненты G. Эта компонента обладает тем свойством, что при состоянии синхронизма в петле ФАПЧ, значение выборок, от импульса к импульсу, остаётся постоянным, и таким образом формируется напряжение E_С для управления частотой ГУН.