Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Важной задачей при проектировании системы ФАПЧ в синтезаторе частоты является обеспечение требуемого диапазона перестройки. Этот диапазон может быть достаточно велик, вплоть до октавы, и тогда возникает необходимость в применении дополнительных средств для введения частоты ГУН в полосу захвата, которая либо физически не может быть достигнута равной диапазону перестройки, либо ограничена необходимыми фильтрующими свойствами системы. Иногда эту задачу решают способом построения ГУН в виде блока из нескольких переключаемых управляемых генераторов (особенно при повышенных требованиях к фазовым шумам), а иногда – путём введения предварительной грубой настройки ГУН с помощью так называемых «подставок» [1], стр.199÷200. Последние представляют собой ряд постоянных напряжений, смещающих частоту ГУН в область захвата, и могут быть сформированы с помощью резистивных делителей напряжения или цифроаналоговых преобразователей, управляемых кодом частоты. Тот и другой способы могут применяться и совместно. Однако из-за ограниченной точности эти способы далеко не всегда приводят к желаемому результату, тем более что трудно предвидеть точный диапазон параметров, который даст гарантию захвата частоты во множестве практических вариантах петли ФАПЧ.

В данном разделе рассматриваются дополнительные средства для расширения области захвата (acquisition aids – в американской терминологии), которые могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с описанными выше. Они, известные в настоящее время, основаны на четырёх подходах [2] к решению данной задачи:

1 – изменение параметров петли на время установления нового значения частоты;

2 – использование частотного детектора совместно с фазовым;

3 – совмещение функций частотного и фазового детекторов в одном устройстве – частотно-фазовом детекторе;

4 – использование схем поиска области захвата.

Применяемые при этом устройства не служат для целей расширения полосы синхронизации (диапазона удержания частоты), а лишь уменьшают частотное рассогласование до величины полосы захвата по фазовому каналу.

4.1. Изменение параметров петли ФАПЧ

На рисунке 4.1 показаны три варианта изменения параметров петли путём шунтирования элементов фильтра нижних частот (варианты А и Б) и всего фильтра в целом (вариант В). При этом величина управляющего напряжения в установившемся режиме не меняется.

Рис.4.1. Примеры схем для изменения параметров петли ФАПЧ

В варианте А, как пример, резистор R интегрирующей RC-цепочки шунтируется двумя диодами Д1 и Д2 во встречно-параллельном включении. При отсутствии синхронизма возникают биения сравнительно высокой амплитуды, и для них эффективное сопротивление пары диодов оказывается низким, так что за счёт шунтирования резистора R постоянная времени интегрирующей цепочки значительно уменьшается, полоса захвата расширяется. После установления синхронизма, в установившемся состоянии, оба диода оказываются закрытыми, и постоянная времени интегрирующей цепочки возвращается к исходной величине Τ=RC, рассчитанной, исходя из требуемой устойчивости и фильтрующей способности петли.

В варианте Б используется комплементарная пара транзисторов. В переходном режиме ёмкость C заряжается и разряжается с высокой скоростью через один из открытых транзисторов, то есть резистор R оказывается зашунтированным низкими сопротивлениями переходов транзисторов. После установления синхронизма оба транзистора закрываются, и, как и в предыдущем варианте, постоянная времени фильтра возвращается к значению Τ=RC.

Схемы А и Б эффективно работают при больших сигналах, когда в наибольшей мере используются изломы вольт-амперных характеристик диодов и транзисторов.

В варианте В применён более «радикальный» метод, когда на время переходного процесса фильтр полностью шунтируется ключом К. При этом может использоваться схема индикации захвата или его отсутствия, которая будет описана ниже. При отсутствии захвата она формирует импульс для замыкания ключа.

В другом варианте можно использовать внешнее программное управление ключом. При переключении на новую частоту ключ замыкается на время, заведомо достаточное для переходного процесса. Но это несколько увеличивает время на переключение частоты, поскольку о длительности переходного процесса можно судить лишь приближённо, и потому необходимо вводить существенный запас при выборе названного времени на замыкание ключа.

В качестве ключей можно применять, например, микросхемы серии ADG фирмы Analog Devices, которые имеют значения сопротивления в открытом состоянии омы и доли омов, а время переключения – единицы наносекунд.

4.2. Индикатор захвата