Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Как показано на рисунке 4.7, делители частоты R и N включены соответственно в опорный и сигнальный тракты, и их выходы используются как для работы фазового детектора в петле ФАПЧ, так и для работы квадрикоррелятора, находящегося вне петли. Если частоты на их выходах равны или достаточно близки друг к другу, тогда квадрикоррелятор бездействует.

Рис.4.7. Схема квадрикоррелятора с диаграммами, поясняющими его работу

На рисунке приведены импульсные диаграммы на выходах делителей частоты для случая, когда частота сигнала ниже опорной частоты. Форма импульсов представлена в виде меандров, то есть предполагается, что оконечные каскады делителей R и N – это цифровые делители на 2. При этом начало диаграмм, oтносящихся соответственно к делителям R и N, соответствует сдвигу фаз примерно на 180 градусов (но это лишь чтобы начать с чего-то определённого, а сдвиг может оказаться любым).

Если наблюдать движение импульсов вправо, то есть с течением времени, то можно заметить, что, например, нижний уровень опорных импульсов продвигается быстрее нижнего уровня сигнальных импульсов. И это понятно, поскольку частота первых выше частоты вторых, Fr> Fc. Цифровой квадрикоррелятор работает по принципу сравнения временных положений опорных импульсов и их задержанных копий, записываемых в регистры на D-триггерах Т1÷Т4 в моменты поступления сигнальных тактирующих импульсов (вертикальные линии на рисунке 4.7).

Текущие состояния импульсных процессов на выходах триггеров Т1 и Т3 показаны как А₂ – без задержки и В₂ – с задержкой. Предыдущие состояния А₁ и В₁ записываются в триггеры Т2 и Т4 на такт позже.

Когда опорная и сигнальная частоты равны, то тактовый сигнальный импульс (названные вертикальные линии на рисунке) попадает в одну и ту же точку опорных импульсов. Поэтому состояния А₂ и В₂ от одного такта к следующему такту не меняется.

Если же частоты не равны, то тактовые импульсы попадают в разные точки опорных импульсов. Это значит, что состояния А₂ и В₂ будут со временем меняться. Сравнивая текущие состояния А₂ и В₂ с их предыдущими состояниями А₁ и В₁ можно заметить, что сигнальные тактовые импульсы попадают в разные точки опорных импульсов, и это означает, что частоты Fr и Fc не равны.

Можно определить то ли сигнальная частота выше опорной или наоборот ниже её. На рисунке, где Fc 2 и В₂ могут меняться от такта к такту следующим, например, образом: [A₂=1, B₂=1], [0,1 [, [0,0], … (сумма логических уровней с течением времени убывает). Если же Fc> Fr, то последовательность значений А₂ и В₂ меняется на обратную: [0,0], [0,1], [1,1], … (сумма логических уровней возрастает). Различие в порядке последовательностей и говорит об отношении частот: какая из них выше, а какая ниже.

Выходы регистров подключаются к детекторной цепи (на рисунке не показана). В ней при переходе частоты сигнала к неравенству Fc

Для правильной работы схемы сдвиг θ по фазе должен быть равен θ=90 градусов, а отношение сравниваемых частот Fc/Fr должно находиться в пределах 3/4 

4.6. Частотно-фазовый детектор

Как отмечалось выше, функции частотного и фазового детекторов могут быть одновременно осуществлены в едином устройстве – частотно-фазовом детекторе (ЧФД). Подробное описание схемы, принципа действия и возможностей ЧФД приведены в Приложении 2.

К этому можно добавить, что возможен также вариант ЧФД без схемы накачки заряда. Такой вариант осуществлён, например, в микросхеме AD9901 фирмы Analog Devices [9]. Он построен на 4-х D-триггерах, схеме исключающего ИЛИ (XOR) и комбинации некоторых других логических схем. Мёртвая зона в нём отсутствует, благодаря чему можно ожидать снижения уровня собственных шумов ЧФД. Однако такой вариант ЧФД не обеспечивает астатизма второго порядка в системе ФАП. Рабочая точка на характеристике детектирования ЧФД смещается вплоть до краёв характеристики в зависимости от начальной расстройки ГУН в пределах полосы удержания.

4.7. Схемы поиска

Для приведения системы ФАПЧ в состояние синхронизма при ограниченной полосе захвата используют также схемы поиска. Это устройства, которые при отсутствии захвата частоты ГУН генерируют сигнал, изменяющий частоту ГУН в пределах его полного частотного диапазона. При попадании частоты ГУН в область захвата поиск прекращается, и система переходит в режим удержания заданной частоты сигнала.

По типу схемного решения и принципу действия схемы поиска бывают: