Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Положим, что при опорной частоте Fr=10 МГц требуется получить частоту Fc=119 МГц на выходе ГУН, включенного в петлю ФАПЧ. При этом необходимо иметь коэффициент деления в петле равный N=11,9. Его можно обеспечить, задав следующие значения коэффициентов деления: K=17 и L=7. Тогда частоты на входах смесителя СМ окажутся равными соответственно F_K=119/17=7 МГц и F_L=119/7=17 МГц, а их разность на выходе смесителя составит 10 МГц, которая и используется для сравнения с опорой частотой 10 МГц в фазовом детекторе ФД.

Если же использовать суммирование частот F_K и F_L при тех же коэффициентах деления 17 и 7, то получится результирующий коэффициент деления

N= (17×7) / (17+7) =4.9583 (3)

и соответствующая ему частота равна Fc=49,583 (3) МГц. При этом частоты на выходах соответствующих делителей равны F_K=2,916 (6) МГц и F_L=7,083 (3) МГц, а их сумма равна 10 МГц, которая, как и в предыдущем случае, используется для сравнения в фазовом детекторе.

Недостатком рассмотренной структуры является необходимость включения фильтра Ф, чтобы избавиться от комбинаций типа +/-nF_K+/-mF_L. Это существенно ограничивает возможности широкого выбора коэффициентов K и L. Кроме того, стремление обеспечить высокое разрешение по частоте приводит к необходимости соответствующего увеличения этих коэффициентов и сужения полосы пропускания фильтра, что – и то и другое – соответственно снижает быстродействие синтезатора. К недостаткам можно также отнести и относительно сложный алгоритм выбора требуемой частоты сигнала. Для каждых конкретных требований к диапазону частот синтезатора, шагу сетки частот и быстродействию необходима таблица с предварительно рассчитанными значениями коэффициентов K и L.

Однако, благодаря бесспорным достоинствам схемы по сравнению со схемами, использующими как целочисленные, так дробные коэффициенты деления, данная схема могла бы найти практическое применение, хотя и ограниченное отмеченными недостатками. Более обстоятельно схема проанализирована в работе [38].

2.5. Расширение диапазона частот

Понятно, что пределы перестройки ГУН ограничены, и в первую очередь из-за необходимости обеспечения допустимого уровня шума. Генераторы с перекрытием по частоте более октавы практически не применяются. Расширить диапазон частот синтезатора можно, используя набор из нескольких коммутируемых генераторов. Однако это довольно сложно и дорого. Но если уже получен октавный диапазон, то далее можно расширять диапазон частот синтезатора вниз по частоте достаточно простым способом, как это показано на рисунке 12.

Рис.12. Схема расширения диапазона частот Fc

На рисунке показан пример получения диапазона частот Fc=F_С0/2, где F_С0 – исходный октавный диапазон. Чтобы избежать попадания в спектр сигнала Fc её субгармоник, последующие делители частоты, после используемых, отключаются. В качестве делителей частоты целесообразно использовать триггеры с выходным напряжением в виде меандра, не содержащим второй гармоники. Поэтому синусоидальный сигнал на выходе Fc может быть получен с помощью довольно простых фильтров нижних частот октавного диапазона.

Данный способ расширения диапазона частот широко используется на практике [39], в частности в разработках фирм Phase Matrix / NI, США, (FSW-0010), Stanford Research Systems, США (7SG392, 7SG394, 7SG396), AnaPico Inc, Швейцария (APSIN6010), Advantex, Москва (SG8), Микран, Томск (PLG06) и некоторых других фирм.

3. Схемы с дробным делителем частоты и компенсацией помех дробности и другие схемы

Перейдём далее к рассмотрению однопетлевых структур с дробным делителем частоты и различными вариантами схем для компенсации помех дробности.

3.1. Схема Бреймера-Джиллета

Один из таких вариантов представлен на рисунке 13. Если в общих чертах, то она почти одновременно запатентована авторами Бреймером и Джиллетом [40, 41]. Правда, в описаниях к их патентам много внимания уделено построению оригинальных схем ДДПКД, хотя это не касается самого принципа компенсации помех дробности и потому не отражено на приведенном рисунке.

Рис.13. Схема Бреймера-Джиллета

ДДПКД представлен в виде целочисленной части с коэффициентом деления N₀ и дробной части, выполненной на аккумуляторе (накапливающем сумматоре). Импульс переполнения последнего передаётся в целочисленную часть, и общий коэффициент деления увеличивается при этом на единицу, из-за чего и возникает помеха дробности.

Для её компенсации используется ЦАП, с помощью которого формируется сигнал – копия помехи, продетектированной в ФД. В сумматоре напряжения с выходов ЦАП и ФД складываются в противофазе, благодаря чему помеха дробности подавляется.