Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Период упомянутых выборок равен T_c=QT_r/R, то есть их частота равна RFr/Q. Благодаря этому, если сигнал с выхода интегрирующего звена подать на аналоговый вход импульсно-фазового детектора типа «выборка-хранение», а другой его вход подключить к импульсному выходу ГУН, включенному в петлю ФАПЧ (для этого используется выход 1 на рисунке 20), то его частота Fc будет приведена, с помощью управляющего напряжения E_C, в соответствие с опорной частотой через полученное выше соотношение частот. Шаг сетки частот при этом равен dF=Fr/Q. Рабочая область статической характеристики ФД, простирающаяся от U_min до U_max, достаточно широкая для успешной работы системы ФАПЧ.

Понятно, что в случае реального интегратора, из-за его несовершенства, возникает искажение процесса Е на его выходе, что приводит к появлению помех дробности, обязанных взаимной некратности чисел R и Q. О величине этих помех будет сказано ниже.

В принципе, входы частот Fr и Fc на рисунке 20 можно поменять местами, чтобы получить на выходе системы ФАПЧ более высокую частоту в соответствии с выражением Fc=QFr/R. Однако при этом надо учитывать, что в этом случае интегрирующее звено оказывается включенным в петлю ФАПЧ, и, обладая задержкой сигнала, может ухудшить устойчивость системы.

Если в рассмотренной схеме используется импульсно-фазовый детектор типа выборка-хранение, то объективных причин для включения в систему ФАПЧ фильтра нижних частот нет. Его можно использовать лишь для подавления компонентов с частотами Fc и Fr, просачивающихся через ФД, но эти частоты достаточно высокие, ФНЧ может быть широкополосным, а ФАПЧ – с высоким быстродействием.

В другом возможном варианте применения описанной схемы она может использоваться как прямой синтезатор частоты импульсных сигналов. Для этого сигнал с выхода интегрирующего звена поступает на выход 2 (на рисунке 20) через пороговый элемент. В этом случае частота импульсов на выходе схемы равна Fc=RFr/Q и шаг сетки частот равен dF=Fr/Q.

Ёмкость Q аккумулятора и число R на его входе оба могут быть переменными, что расширяет возможности в получении мелкого шага сетки частот.

Ещё одной важной и положительной особенностью рассмотренной схемы является то, что ЦАП работает в значительно более узком диапазоне значений кодов, чем во многих других системах, включая, например, DDS. Хотя процесс в аккумуляторе происходит в пределах его ёмкости Q, но полная шкала напряжений на выходе ЦАП соответствует числу R, которое значительно меньше числа Q. Это снижает требования к точности ЦАП или же, с другой стороны, соответственно повышает его эффективность в подавлении помех дробности.

В средине 1980-х годов схема была внедрена в серийно выпускаемом изделии бывшего СССР в качестве формирователя местной несущей и тонального гетеродина. Была использована отечественная элементная база. При тактовой, опорной частоте Fr=625 кГц в тональном гетеродине обеспечивался диапазон частот от 118 до 156 кГц с шагом сетки 10 Гц и уровнем помех дробности на выходе не хуже -70 дБн. В принципе, шаг сетки мог быть получен сколь угодно малым при том же уровне помех, но такая задача не ставилась. Если экстраполировать этот результат на современный уровень мировой интегральной технологии, то можно ожидать неплохих перспектив использования описанной схемы, вплоть до её способности конкурировать, в некоторых сферах применения, с синтезаторами типа DDS.

3.7. Синтезатор Frac-N-Syn

Отмеченные недостатки рассмотренных выше схем компенсации помех дробности устраняются, в значительной мере, в схеме, представленной на рисунке 22 [48÷50].

Рис.22. Схема синтезатоа Frac-N-Syn

Работа схемы поясняется с помощью диаграмм на рисунке 23.

Делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД) представлен здесь делителем частоты ДЧ, тактируемым опорной частотой Fr, и Аккумулятором, тактируемым частотой с выхода ДЧ. Коэффициент деления частоты в ДДПКД равен N=N₀-n, где N₀ и n – соответственно целочисленная и дробная части коэффициента деления. В качестве примера выбрано значение N=3—1/4. Важно отметить, что в выражении для N вместо «плюс n’, как это обычно используется для дробного делителя, здесь присутствует «минус n’.

Дробь в коэффициенте деления формируется с помощью аккумулятора. Для получения значения n=1/4 ёмкость Q аккумулятора равна Q=4. При переполнении аккумулятора коэффициент N уменьшается на единицу, чем и обеспечивается его дробное значение.

Блок вычислителя, который определяет значение А в дроби N=A/Q является арифметическим устройством. Частота его тактирования принципиальной роли не играет и потому на рисунке не показана. Имея на своих входах коды N₀, n и Q, этот блок вычисляет значение А. В приведенном примере N=11/4, то есть A=11. Числитель А этой дроби пропорционален опорной частоте Fr, а знаменатель – частоте Fc сигнала, получаемой в петле ФАПЧ.

По диаграммам рисунка 23 можно проследить, как образуется сигнал E_С для управления частотой ГУН в петле ФАПЧ.