Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Рис.1.8. Напряжение на выходе ИФД при соотношении частот, равном 2,5

Для наглядности был приведен простой пример малого коэффициента умножения M=3. В этом случае частота возможного ложного захвата довольно далеко отстоит от нужной гармоники, и потому проблему нетрудно решить путём грубой предварительной установки частоты ГУН, например, с помощью ЦАП. Но с увеличением M количество подобных ситуаций возрастает, причём частоты ложных захватов приближаются к требуемой гармонике. Тогда может потребоваться дополнительная схема предварительной автоматической настройки ГУН до того, как включится ФАПЧ с ИФД. Если же в качестве ГУН используется высокоточный кварцевый генератор, то предварительная его подстройка может не потребоваться.

1.5. Чисто цифровые схемы фазовых детекторов

Существенным недостатком рассмотренных выше схем является наличие в них таких моточных узлов как трансформаторы, что ограничивает их частотный диапазон и практически исключает возможность их воплощение средствами твёрдотельной технологии. Вместе с тем существуют предельно простые чисто цифровые схемы, к которым можно отнести исключающее ИЛИ (XOR) и RS-триггер.

1.5.1. Схема на исключающем ИЛИ

Логическая схема исключающего ИЛИ действует таким образом, что единица на её выходе появляется тогда, когда только на одном её входе присутствует единица. Эта схема называется также полусумматором, поскольку не имеет выхода переноса в следующий, более старший разряд, из-за чего сумма оказывается неполной, старший разряд суммы отсутствует.

На диаграммах А рисунка 1.9 показана работа схемы.

Рис.1.9. К пояснению работы исключающего ИЛИ в качестве фазового детектора

На фрагменте А показан случай, когда входах 1 и 2 схемы действуют импульсы, форма которых – строго меандр. На выходе схемы образуются импульсы, скважность которых зависит от временного взаимного расположения импульсов на входах. После низкочастотной фильтрации выделяется постоянная составляющая выходных импульсов, в результате чего формируется характеристика детектирования E, показанная на диаграмме Б. Характеристика детектирования имеет треугольный вид с максимумом напряжения, соответствующим логической единице, при фазовом сдвиге φ=π

Частота следования импульсов на выходе схемы в два раза выше частоты импульсов на её входах, что облегчает их фильтрацию, Однако, если форма импульсов на одном из входов отличается от меандра, то возникает первая гармоника частоты сравнения (см. диаграммы В), величина которой зависит от степени несоответствия импульсов меандру. Поэтому на входы схемы целесообразно подавать оба сигнала после деления их частот в 2 раза с помощью цифровых делителей частоты, что обеспечивает полное соответствие меандру формы импульсов на входах схемы.

Схема отличается высокой линейностью характеристики детектирования как на восходящей, так и нисходящей её ветви.

1.5.2. Схема на RS-триггере

На рисунке 1.10 приведена схема RS-триггера (А), диаграммы, поясняющие его работу (Б), и её статическая характеристика (В).

Рис.1.10. Схема и работа RS-триггера в качестве фазового

На входах S и R триггера действуют опорные и сигнальные импульсы, переводящие триггер из состояния 0 в состояние 1 и наоборот. От взаимного временного расположения импульсов зависит скважность импульсов на его выходе. Как и в случае исключающего ИЛИ, низкочастотным фильтром выделяется постоянная составляющая, являющаяся результатом детектирования. Форма характеристики детектирования – пила в пределах 2π.

Достоинство схемы – простота и исключительно высокая линейность статической характеристики детектирования. Недостаток – сравнительно высокий уровень гармоник частоты сравнения. Однако этот недостаток не всегда является решающим. В схемах синтезаторов частоты на ФАПЧ с делителями частоты для приведения сравниваемых частот к равенству этот недостаток несомненно важен, так как, из-за существенного снижения частоты сравнения, приходится значительно сужать полосу пропускания ФНЧ и, следовательно, ухудшать динамику системы. Но есть другой тип синтезаторов, использующих новый класс фазовых детекторов – многочастотных фазовых детекторов (МЧФД), которые позволяют производить фазовое сравнение на исходных, высоких частотах. Там этот недостаток практически не играет роли. О МЧФД см. раздел 5 данного материала.

1.6. Другие схемы фазовых детекторов

Существует также множество других, усложнённых схем, в которых используются биполярные и полевые транзисторы, дифференциальные и операционные усилители, ограничители и преобразователи уровня, ключи, а также различные серийно выпускаемые интегральные микросхемы. С ними можно ознакомиться в работе [6].