Стандарты частоты. Синтезаторы частоты

Формирование стабильного по частоте и фазе измерительного сигнала осуществляется с помощью кварцевых генераторов. Здесь долговременная нестабильность частоты выходного сигнала обусловлена старением элементов и для кварцевых генераторов она составляет: за первую неделю работы — порядка 10^‒7, а после двух месяцев — около 10^‒6. Кварцевые стандарты частоты имеют еще более высокие показатели: их нестабильность находится в пределах 10^‒8-10^‒9.

Более высокую стабильность частоты (нестабильность порядка 10^‒12) обеспечивают квантово-механические стандарты частоты, действие которых основано на использовании электромагнитного излучения атомов определенного химического элемента при переходе их из одного энергетического состояния в другое. Именно на основе электромагнитного излучения и созданы водородные, цезиевые и рубидиевые генераторы.

Кварцевые генераторы и стандарты частоты обеспечивают формирование высокостабильных сигналов только для нескольких (порядка 3) значений частот. При необходимости иметь большой набор генерируемых частот используют кварцевые синтезаторы частоты.

Кварцевые синтезаторы частоты — это многочастотные генераторы гармонических колебаний с дискретной перестройкой частоты. Упрощенная структурная схема синтезатора частоты представлена на (рис. 9.13). Схема включает в себя кварцевый генератор частоты — f₀, устройство формирования опорных частот — f₁…, f_n, переключающее устройство с частотой коммутации — f_к, подключающее на выход сигнал нужной частоты, отсчетное и выходное устройства.

Синтезаторы позволяют получать напряжения фиксированных частот с дискретностью (сеткой частот) до десятых и сотых долей герц.

В высококачественных широкодиапазонных измерительных генераторах требования высокой стабильности частоты и возможности ее быстрой перестройки являются несовместимыми. В связи с этим при разработке синтезаторов частоты переходят к дискретному перекрытию частотного диапазона, при котором допускается генерирование сигналов на любой из множества частот, следующих друг за другом с определенным фиксированным интервалом, называемым шагом дискретной сетки.

Одна из структурных схем аналогового синтезатора частоты с цифровым управлением показана на (рис. 9.14). Синтезатор содержит опорный кварцевый генератор (ОКГ), управляемый делитель частоты (УДЧ), управляемый генератор (УГ), фазовый детектор (ФД) с цепью фазовой автоматической подстройки частоты и программируемое цифровое устройство (ПЦУ).

На фазовый детектор поступают два колебания: первое со стабильной частотой f_оп от опорного кварцевого генератора; второе — с частотой f/N ≈ f_оп через управляемый делитель частоты с коэффициентом деления N от управляемого генератора. Напряжение с выхода фазового детектора через ФНЧ воздействует на управляемый генератор и подстраивает его до обеспечения равенства частот f/N и f_оп. Изменяя с помощью программируемого цифрового устройства ПЦУ коэффициент деления N, можно получить требуемую сетку частот с шагом, равным f_оп. Поскольку выходная частота синтезатора связана с частотой опорного кварцевого генератора формулой f = Nf_оп, то относительные нестабильности этих частот равны. Если в таком синтезаторе требуется стабилизировать очень низкую частоту, то между опорным кварцевым генератором и фазовым детектором необходимо дополнительно ввести делитель частоты (ДЧ).

Рассмотренный простейший вариант синтезатора частоты имеет ряд недостатков. Один из них связан с конечной величиной ширины полосы синхронизации управляемого генератора, которая зависит от управляющих элементов генератора и коэффициентов передачи фазового детектора ФД и ФНЧ. Поэтому для получения широкой сетки частот приходится изменять собственную частотуf управляемого генератора.

Другой недостаток обусловлен ограниченными возможностями управляемого делителя частоты УДЧ, построенного, как правило, на основе счетчика импульсов. Если ввести обратную связь в делитель частоты, то можно изменять его коэффициент деления, который будет принимать любые целочисленные значения, допустимые разрядностью счетчика.

В современных передатчиках часто требуется использовать дробные значения коэффициента деления частоты. Метод дробного преобразования частоты используется в современных разработках цифровых синтезаторов, реализуемых по следующей базовой схеме (рис. 9.15).

В таком синтезаторе коэффициент деления программно-управляемого делителя частоты (ПУДЧ) изменяется во времени, образуя последовательность временных циклов определенной длительности. Полученный цикл можно делить на несколько подциклов, в течение каждого из которых коэффициент деления постоянен. Изменение коэффициента деления производится в момент перехода от одного подцикла к другому.

В схеме цифрового синтезатора частоты используются цифровой фазовый детектор (ЦФД), ЦАП и микропроцессор МП. Подстройку выходной частоты производят в конце каждого цикла. Для этого предназначен управляемый генератор, напряжение подстройки частоты на который подается с ЦАП. Сигнал управления (ошибки, рассогласования) вырабатывается цифровым фазовым детектором ЦФД и соответствует значению средней за время цикла разности фаз колебаний, получаемых от опорного кварцевого ОКГ и управляющего генератора УГ. Затем сигнал управления с фазового детектора ФД подается на микропроцессор МП, который через ЦАП по заданному коду требуемой частоты осуществляет программное управление схемой программно-управляемого делителя частот ПУДЧ.

Такие синтезаторы частоты позволяют получать на выходе стабильные значения частот f в достаточно широком диапазоне.

Контрольные вопросы

1В чем заключается принципиальная особенность задающего генератора при построении генераторов шума?

2В чем заключается принципиальная особенность импульсных генераторов?

3Каковы особенности построения аналоговых и цифровых синтезаторов частоты?

4За счет чего достигается высокая стабильность частоты в современных синтезаторах частоты?

5В чем особенность аналоговых синтезаторов частоты, аналоговых синтезаторов частоты с цифровым управлением и цифровых синтезаторов частоты?