Синтезатор частот радиостанции

Введение

Основными составными частями командной радиостанции (см. рис. 1) являются приемопередатчик, антенно-фидерное устройство, пульт управления и блок питания.

Рис. 1. Структурная схема радиостанции МВ-ДМВ диапазона

Приемопередатчик состоит из возбудителя, передающего и приемного трактов. Возбудитель и передающий тракт составляют радиопередатчик, а возбудитель и приемный тракт — радиоприемник. Возбудитель является общим элементом и для передатчика, и для приемника. Такой принцип построения радиостанции, когда некоторые элементы приемопередатчика используются как в режиме передачи, так и в режиме приема сигналов, называют трансиверным. Общими элементами кроме возбудителя могут быть усилительные каскады, фильтры и т. д. Трансиверный принцип позволяет упростить схему, уменьшить массу и габариты радиостанции.

Возбудитель является основным элементом приемопередатчика и обеспечивает получение высокостабильных колебаний в заданном диапазоне частот. Схема возбудителя зависит от требуемой стабильности частоты и способа ее осуществления, заданного диапазона частот, от вида передаваемых сигналов.

Для стабилизации частоты возбудителей бортовых радиостанций применяется параметрическая (бескварцевая) и кварцевая стабилизация. Возбудители могут быть с плавным или дискретным диапазоном частот. Возбудители с плавным диапазоном имеют параметрическую стабилизацию частоты. В возбудителях с дискретной сеткой стабильных частот осуществляется кварцевая стабилизация.

При параметрической стабилизации частоты суммарная ошибка настройки радиостанции получается из-за неточности поддержания частоты во времени и неточности установки частоты по шкале.

Наиболее существенными факторами, вызывающими изменение частоты во времени, являются механические деформации деталей задающего генератора, изменение температуры деталей, влажности и давления, напряжений источников питания, межэлектродных емкостей активных элементов и непостоянство нагрузки.

Повышение стабильности частоты при параметрической стабилизации достигается использованием высокостабильных деталей в задающем генераторе, правильным выбором его схемы и конструкции, применением термокомпенсации и термостабилизации, стабилизацией режима питания.

Для повышения точности установки частоты по шкале в состав радиостанции вводят кварцевые калибраторы, представляющие собой генераторы колебаний высокостабильных частот, с помощью которых проверяют точность установки частоты задающего генератора.

Возбудители плавного диапазона частот с параметрической стабилизацией частоты могут обеспечить относительную нестабильность частоты порядка 10^-4.

Кварцевая стабилизация частоты может осуществляться по принципу «кварц—волна» или по принципу диапазонно-кварцевой стабилизации частоты (ДКСЧ).

При стабилизации частоты по принципу «кварц—волна» смена частот автогенератора достигается сменой кварцев. Для работы в широком диапазоне частот, требуется большое количество сменных кварцев, что усложняет эксплуатацию радиостанции. Поэтому в настоящее время принцип «кварц—волна» применяется сравнительно редко.

Наиболее эффективным является принцип ДКСЧ, позволяющий стабилизировать большое число рабочих частот в широком диапазоне малым количеством кварцев (иногда одним). Устройства, дающие дискретное множество колебаний высокостабильных частот (сетку частот), в настоящее время называют синтезаторами частоты или просто синтезаторами.

Синтезатор частоты (синтезатор) - устройство, дающие дискретное множество колебаний высокостабильных частот (сетку частот).

Состав синтезатора (см. рис. 2): датчик опорных частот (ДОЧ) и блок синтеза частот (БСЧ).

Рис 2. Структурная схема синтезатора

ДОЧ включает в себя один или несколько кварцевых генераторов и схему формирования опорных частот, которая в общем случае состоит из умножителей и делителей частоты, генераторов гармоник, формирователей импульсов, фильтров и усилителей. На выходе ДОЧ формируется ряд колебаний высокостабильных частот — сетка опорных частот f_оп.

Блок синтеза предназначен для преобразования входных колебаний опорных частот таким образом, чтобы на выходе системы одновременно получались колебания только заданной частоты всего ряда дискретных частот, так называемой сетки рабочих частот f_р, с определенными параметрами.

В настоящее время известно большое количество синтезаторов, отличающихся между собой как принципами построения и техническими характеристиками, так и схемами отдельных каскадов. В основу их классификации могут быть положены различия в способе использования колебаний опорных частот, фильтрации побочных составляющих, перестройки цепей селекции и коммутации и др.

В соответствии с первым признаком — способом использования колебаний опорных частот ДОЧ, синтезаторы делят на две группы: синтезаторы непосредственного (прямого) синтеза и синтезаторы косвенного синтеза.

Непосредственный синтез основан на преобразовании колебаний опорных частот с помощью смесителей (сумматоров) и выделении колебаний нужной частоты (рабочей) с помощью фильтров. Сетка рабочих частот образуется в результате суммирования отдельных частотных составляющих.

При косвенном синтезе колебания рабочих частот получаются с помощью автогенератора плавного диапазона (ПГ), входящего в состав БСЧ. Этот автогенератор может создать колебания на любой требуемой частоте диапазона. Частота колебаний ПГ с помощью системы автоподстройки частоты (ЧАПЧ или ФАПЧ) подстраивается под одну из опорных частот ДОЧ.

Таким образом, при непосредственном синтезе колебаний рабочей частоты получаются из колебаний ДОЧ, при косвенном синтезе они создаются (воспроизводятся) автогенератором, а колебания ДОЧ используются для автоподстройки частоты автогенератора.

В соответствии со вторым классификационным признаком — фильтрацией побочных составляющих в схемах синтезаторов могут применяться различные методы фильтрации побочных составляющих, возникающих в процессе получения сетки рабочих частот.

Методы фильтрации подразделяются на три группы: 1) с использованием обычных (пассивных) фильтров LC; 2) с использованием компенсационных схем; 3) с использованием системы АПЧ.

Методы перестройки цепей селекции и коммутации (третий признак), используемые в синтезаторах, можно разделить на инерционные и безынерционные.

В инерционных методах используются механические способы перестройки и коммутации с помощью конденсаторов переменной емкости, вариометров и т. п., а в безынерционных—нелинейные реактивности типа варикапов, ферровариометров, реактивных ламп и др. На практике часто используется комбинация этих способов. Это объясняется простотой и надежностью механических систем и высокими быстродействием и точностью безынерционных средств перестройки и коммутации.

Возбудитель командной радиостанции Р-832М выполнен по схеме синтезатора косвенного синтеза с системой ЧАПЧ в контуре управления.

Отличительной особенностью синтезаторов, построенных по принципу косвенного синтеза, является наличие помимо ДОЧ генератора плавного диапазона (ПГ), частота колебаний которого подстраивается к одной из выбранных частот ДОЧ с помощью контура управления.

Контур управления представляет собой кольцо частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ).

Система ЧАПЧ основана на принципе автоматического регулирования и решает задачу поддержания с определенной точностью равенства регулируемой величины своему номинальному значению. С этой целью используются метод сравнения регулируемой величины с опорной и выработка корректирующего сигнала для компенсации воздействия дестабилизирующих факторов. В синтезаторе объектом регулирования является стабилизируемый плавный автогенератор, а регулируемой величиной—частота его собственных колебаний.

Структурная схема возбудителя показана на рис. 3.

Рис.3 Структурная схема возбудителя

В ДОЧ создаётся сетка опорных частот с помощью кварцевых генераторов: грубой сетки ГГС, первой и второй промежуточных сеток Г1ПС и Г2ПС, точной сетки ГТС и генератора половины диапазона Г¹/₂Д.

Колебания сетки опорных частот с выходов кварцевых генераторов подаются на соответствующие смесители. На вход смесителя СМ1 вместе с колебаниями опорных частот грубой сетки подаются колебания плавного генератора (ПГ) с частотой . После многократного преобразования с выхода СМ5 колебания с частотой подаются на частотный дискриминатор (Д) системы ЧАПЧ. Управляющее напряжение с выхода дискриминатора, воздействуя на электронный управляющий элемент УЭ (ферровариометр - катушка индуктивности с ферритовым сердечником), подстраивает частоту ПГ под её номинальное значение .

Предположим, что генератор плавного диапазона ПГ в данный момент настроен на частоту . На входах смесителей получаются колебания следующих частот:

а) в первой половине диапазона:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

где – частота настройки дискриминатора;

б) во второй половине диапазона в отличие от первой половины промежуточные частоты в первом и втором смесителях получаются как и поэтому выражение для имеет вид:

(1.6)

Если в выражениях (1.5) и (1.6) обозначить алгебраические суммы частот пяти кварцевых генераторов ДОЧ для первой и второй половин диапазона соответственно через и :

(1.7)

(1.8)

то схему, данную на рис. 3, можно привести к виду, изображенному на рис. 4, заменив пять смесителей одним, а пять кварцевых генераторов – датчиком опорных частот ДОЧ, формирующим 3400 опорных частот в соответствии с формулами (1.7) и (1.8).

Рис.4 Упрощённая структурная схема возбудителя

В установившемся режиме частота плавного генератора отличается от выбранной опорной частоты на величину настройки дискриминатора с точностью до остаточной расстройки ( )***:

+ (1.9)

где – для первой половины диапазона или

– для второй половины диапазона.

Поскольку ПГ охвачен системой ЧАПЧ, то плавный диапазон ПГ дискретизируется по частотам ДОЧ. Переключением кварцевых резонаторов генераторов ДОЧ выбирается необходимая опорная частота, схема ЧАПЧ подстраивает ПГ по выбранной опорной частоте.

Таким образом, ПГ может быть настроен на любую из 3400 фиксированных рабочих частот. Каждой частоте ПГ соответствует определенная частота настройки радиостанции – частота связи . В диапазоне ДМВ радиостанция может быть настроена на любую из 3400 фиксированных частот связи с шагом дискретности 50кГц. В диапазоне МВ радиостанция имеет 617 фиксированных частот связи с шагом дискретности 50кГц и 83,3 кГц.

Принцип образования сетки частот в диапазонах МВ и ДМВ один и тот же.

*** Остаточная расстройка ( )

В результате действия ЧАПЧ значение частоты в установившемся режиме с некоторой ошибкой окажется равной рабочей частоте . При отклонении от под воздействием дестабилизирующих факторов или в процессе настройки на выходе дискриминатора появится управляющее напряжение, что вызовет управляющее воздействие, компенсирующее отклонение частоты.

Дискриминатор и управляющий элемент являются последовательно действующими звеньями единой физической системы, поэтому анализ системы будем производить при совместном рассмотрении характеристик обоих звеньев. Уравнения соответствующих характеристик целесообразно составлять не для абсолютных значений , а для отклонений ее от номинального значения. Введем обозначения: — текущее отклонение от номинального значения, — начальная расстройка ПГ, — текущее изменение под воздействием управляющего элемента.

В соответствии с введенными обозначениями: (1)

Уравнение статической характеристики дискриминатора выражает зависимость напряжения на выходе дискриминатора от величины отклонения частоты на его входе и записывается в виде: (2)

Уравнение статической характеристики управляющего элемента определяет зависимость изменения частоты плавного генератора от напряжения на входе управляющего элемента и имеет вид: (3)

Учитывая уравнения (1), (2) и (3), можно написать: , (4)

Систему уравнений (4) можно решить, графически. На рис. 1 кривая 1 представляет собой статическую характеристику дискриминатора . Второе уравнение системы представляет собой статическую характеристику управляющего элемента, смещенную по оси частот на величину (кривая 2). Характеристика дискриминатора проходит через начало координат , так как при , то есть управляющее напряжение зависит только от расстройки и не зависит от абсолютною значения .

Рис.1 Графическое определение остаточной расстройки

Статическая характеристика управляющего элемента проходит через точку , так как начальное отклонение частоты плавного генератора создастся под действием дестабилизирующих факторов при нулевом управляющем напряжении на входе управляющего элемента.

Совместное действие дискриминатора и управляющего элемента сводится к следующему. Допустим, что частота плавного генератора под воздействием каких-либо дестабилизирующих факторов получила некоторое начальное отклонение . При такой расстройке на выходе дискриминатора создается управляющее напряжение, под воздействием которого управляющий элемент уменьшит начальную расстройку до некоторой остаточной расстройки , соответствующей точке динамического равновесия (точка б пересечения характеристик). Рабочая точка при этом будет следовать по участку аб статической характеристики дискриминатора.

Из рис. 1 видно, что система частотной автоподстройки не может полностью ликвидировать отклонение частоты плавного генератора от номинального значения, то есть свести к нулю остаточную расстройку.

Рассмотрим работу синтезатора частот по структурной схеме (рис.5).

Генератор грубой сетки состоит из кварцевого генератора (КГ), буферного каскада (БК) и селектора гармоник (СГ). Колебания кварцевого генератора через буферный каскад поступают на селектор гармоник. Селектор гармоник выделяет необходимые гармоники частоты колебаний КГ. Эти гармоники являются опорными частотами грубой сетки.

КГ имеет восемь кварцевых резонаторов, гармоники которых используются для формирования колебаний десяти опорных частот в диапазоне от 76,66(6) до 106,66(6) МГц с шагом дискретности МГц.

Рис. 3. Структурная схема бортовой радиостанции Р-832М

В общем случае выражение для опорных частот генератора грубой сетки можно представить в виде:

(1.10)

где =76,66(6) МГц;

=0, 1, 2, …, 9.

Колебания опорных частот ГГС в смесителе СМ1 смешиваются с колебаниями плавного генератора ПГ, который дискретно перестраивается в диапазоне =65,008(3) — 121,685(3) МГц. На выходе СМ1 образуются колебания первой промежуточной частоты: =18,325 — 15,008(3) МГц в первой половине диапазона и =15,008(3) — 18,325 МГц во второй половине диапазона.

С выхода СМ1 колебания первых промежуточных частот поступают на СМ2, куда одновременно подаются колебания от генератора первой промежуточной сетки Г1ПС. Генератор первой промежуточной сетки имеет десять кварцевых резонаторов, с помощью которых образуются колебания первой промежуточной сетки из десяти опорных частот в диапазоне от 8,124 до 5,142 МГц дискретностью =0,333(3) МГц. В общем случае выражение для частот генератора первой промежуточной сетки можно представить в виде:

(1.11)

где =5,142 МГц;

b=0, 1, 2, …, 9.

На выходе СМ2 образуются колебания второй промежуточной частоты: =10,183 — 9,8663(3) МГц в первой половине диапазона и =9,8663(3) — 10,183 МГц во второй половине диапазона.

Колебания с частотами подаются на смеситель СМ3, куда одновременно подаются колебания от генератора второй промежуточной сетки Г2ПС. Для формирования колебаний опорных частот второй промежуточной сетки в Г2ПС используются пять кварцевых резонаторов, частоты которых равномерно размещены в диапазоне от 5,941(6) до 5.675 МГц с шагом дискретности =66,6(6) кГц. Выражение для опорных частот Г2ПС можно представить в виде:

(1.12)

где =5,941(6) МГц;

с=0, 1, 2, 3, 4.

На выходе СМ3 выделяются колебания третьей промежуточной частоты: =4,241(3) — 4,191(3) МГц в первой половине диапазона и =4,191(3) — 4,241(3) МГц во второй половине диапазона.

Колебания третьей промежуточной частоты смешиваются в СМ4 с колебаниями генератора точной сетки ГТС.

Генератор точной сетки предназначен для формирования сетки, состоящей из четырех опорных частот в диапазоне от 7,016(6) до 7,06(6) МГц. Интервал между опорными частотами ГТС =16,6(6) кГц.

Выражение для опорных частот ГТС можно представить в виде:

(1.13)

где =7,016(6) МГц;

d=0, 1, 2, 3.

Шаг дискретности =16,6(6) кГц является наименьшим интервалом между соседними частотами ДОЧ, он определяет интервал между соседними частотами ПГ, а также интервал между соседними промежуточными частотами в сетках , и .

На выходе СМ4 выделяются колебания четвертой промежуточной частоты: =4,241(3)—4,191(3)+7,016(6)—7,06(6)=11,258 МГц в первом поддиапазоне и =4,191(3)—4,241(3)+7,06(6)—7,016(6) =11,258 МГц во втором поддиапазоне. Промежуточная частота , таким образом, всегда остается неизменной ( =11,258 МГц).

Колебания с частотой на СМ5, куда одновременно поступают колебания от генератора половины диапазона Г¹/₂Д с частотой . Преобразование частоты в СМ5 осуществляется в целях уменьшения промежуточной частоты, что необходимо для повышения стабильности частоты настройки дискриминатора . Для сохранения знака отклонения частоты ПГ при изменении вида преобразования в СМ1 ( или ) генератор Г¹/₂Д в первой половине диапазона создает колебания с частотой =10,452(6) МГц, а во второй половине диапазона – с частотой =12,063(3) МГц.

На выходе СМ5 образуются колебания пятой промежуточной частоты: =0,8053(3) МГц в первой половине диапазона и =0,8053 МГц во второй половине диапазона.

Напряжение пятой промежуточной частоты после усиления поступает на частотный дискриминатор, настроенный на частоту =0,8053(3) МГц.

При отклонении частоты ПГ от номинального значения рабочей частоты на некоторую величину частоты колебаний на выходах СМ1, СМ2, СМ3, СМ4 и СМ5 также изменятся на величину . Вследствие этого частота не будет равна частоте настройки дискриминатора ( ). На выходе дискриминатора появится управляющее напряжение. Это напряжение воздействует на электронный управляющий элемент (УЭ) и мотор М1 (механический управляющий элемент). Механический и электронный управляющие элементы, работая совместно, изменят частоту ПГ в сторону уменьшения начальной расстройки .

Число n дискретных рабочих частот настройки плавного генератора равно числу опорных частот ДОЧ. При наличии десяти частот ГГС, десяти частот Г1ПС, пяти частот Г2ПС и четырех частот ГТС в каждой половине диапазона может быть получено число рабочих частот n₁=n₂=10*10*5*4=2000 и во всем диапазоне n=n₁=n₂=4000. Из этого числа используются только 3400 рабочих частот, что определяется диапазоном частот связи радиостанции.

Найдем выражение для определения рабочих частот ПГ. Опорные частоты ДОЧ в общем виде определяются формулами (1.7) и (2.8). подставляя выражения (1.10), (1.11), (1.12), (1.13) в формулу (1.7) и принимая во внимание соотношения между интервалами опорных частот:

(1.14)

(1.15)

(1.16)

после преобразования получим:

(1.17)

Обозначим алгебраическую сумму частот f₀ генераторов ДОЧ для первой половины диапазона:

(1.18)

Тогда в соответствии с выражением (2.9) для первой половины диапазона:

(1.19)

Подставляя значения частот А₁, и получим:

(1.20)

Аналогичным образом можно найти выражение для определения рабочих частот ПГ во второй половине диапазона ( ).

Необходимая рабочая частота возбудителя устанавливается путем выбора значений коэффициентов в указанных выше пределах. Например, приняв в выражении (1.20) , получим =66,942 МГц.