Цифровий синтезатор частоти

Робота ЦСЧ заснована на застосуванні імпульсно-фазового автопідстроювання частоти (ІФАПЧ) у ланцюзі зворотного зв'язку синхронізуючих генераторів (СГ) з використанням дробового дільника частоти з перемінним коефіцієнтом ділення (ДДПКД).

Цифровий синтезатор частоти містить у собі (рис. 3):

- схему формування опорних імпульсних сигналів з частотою проходження 10 кГц;

- схему перетворення частоти СГ до значення ƒ = 10 кГц ± Δƒ
шляхом ділення частоти СГ на коефіцієнт, що залежить від номіналу обраної частоти радіостанції;

- систему ІФАПЧ СГ;

- схеми контролю (СК) і схему формування (СФ).

Схема формування опорних імпульсних сигналів містить:

- опорний генератор “ГИАЦИНТ” (ОГ), що формує синусоїдальні високостабільні коливання частотою 5 МГц;

- буферний підсилювач, що забезпечує узгодження ОГ і формувача імпульсів (ФІ) та запобігає впливу наступних каскадів на роботу ОГ;

- формувач імпульсів, що забезпечує перетворення синусоїдальних сигналів частотою 5 МГц у сигнали типу “МЕАНДР”;

- опорний дільник частоти (ОДЧ), що формує на виході опорні сигнали з частотою проходження 10 кГц і 1 МГц.

Опорний генератор “ГИАЦИНТ” формує високостабільний синусоїдальний сигнал частотою 5 МГц, що надходить через буферний підсилювач (БП) на формувач імпульсів (ФІ-1). У ФІ-1 формується імпульсний сигнал прямокутної форми, що надходить на опорний дільник частоти для розподілу на 5 і на 500, тобто на його виході формуються імпульси з частотою проходження
1 мГц і 10 кГц. Перші імпульси надходять на лінійку П-205-1 (перетворювач частоти), а другі імпульси – на схему ІФАПЧ ЦСЧ.

Рис.3. Функціональна схема системи ФАПЧ (СПД)

Схема перетворення частоти СГ містить у собі:

- два СГ, що формують частоти у діапазоні 12800-13800 кГц і 13800-14800 кГц;

- два БП (БП-1 і БП-2);

- формувач імпульсів (ФІ-2), що забезпечує перетворення синусоїдального сигналу СГ у сигнал типу МЕАНДР, з частотою проходження рівною частоті СГ;

- дробовий дільник з перемінним коефіцієнтом ділення і перемикач ВИБІР ХВИЛІ.

Кожен СГ являє собою ГПД, зібраний за схемою індуктивної триточки на двох транзисторах, увімкнених за каскадною схемою з паралельним живленням. Принципова схема СГ показана на рис. 4.

1-й СГ працює у діапазоні 12800-13800 кГц, 2-й – у діапазоні 13800-14800 кГц. Коливальний контур у кожнім СГ вмикає два послідовно увімкнених варикапи D2 і D3, котушку індуктивності L1 і контурні конденсатори C3-C7.

На катоди варикапів зі схеми ДДПКД подається п'ять дискретних позитивних напруг–підставок у діапазоні 10-20 В через 2 В, що забезпечують лінійну характеристику керування, дискретну зміну піддіапазонів СГ (для 1-го СГ і 2-го СГ через 200 кГц) та перекривають увесь діапазон кожного СГ. Вибір потрібного СГ здійснюється ручкою “ВЫБОР ВОЛНЫ” (тисячі кілогерц). Зміна напруг підставок здійснюється ручкою “ВЫБОР ВОЛНЫ” (сотні кілогерц).

Рис. 4. Принципова схема синхронізуючого генератора

Підстроювання частоти СГ у кожному піддіапазоні здійснюється за допомогою схеми ІФАПЧ СГ, що формує керуючу напругу від 0 до -7 В, пропорційну величині розладнання СГ і подавану на середню точку – аноди варикапів з фільтра нижніх частот (ФНЧ), що забезпечує перебудову частоти порядку 200 кГц. З виходу СГ сигнал подається на БП-2 і на ФІ-2, а через БП-1 на перетворювач частоти збудника. З ФІ-2 сигнал типу МЕАНДР надходить на схему ДДПКД.

У схемі ДДПКД здійснюються:

- вибір одного з двох СГ за допомогою перемикачів ВИБОР ВОЛНЫ (ручка тисячі кілогерц);

- вибір однієї з п'яти напруг підставок для СГ за допомогою перемикачів ВИБОР ВОЛНЫ (ручка сотні кілогерц);

- установка коефіцієнта розподілу частоти СГ для одержання частоти, рівної чи близької до частоти 10 кГц, за допомогою перемикачів ВИБОР ВОЛНЫ (ручки сотні герц, одиниці кілогерц, десятки кілогерц, сотні кілогерц, тисячі кілогерц).

За допомогою ручок ВИБОР ВОЛНЫ формуються команди керування у вигляді напруг -27 В, що надходять на елементи схеми ДДЗКД. На виходах схеми ДДПКД формуються:

- сигнали, що забезпечують вибір одного з двох СГ;

- напруги підставок, що забезпечують зміну частоти кожного СГ у п'ятьох піддіапазонах через 200 кГц і подавані на катоди варикапів СГ;

- імпульсний сигнал з частотою f = 10 кГц ± Df, отриманий у результаті розподілу частоти СГ на обраний (залежно від частоти СГ) коефіцієнт розподілу (кожній частоті СГ відповідає свій коефіцієнт розподілу) і подаваний на вхід імпульсно-фазового детектора (ІФД) схеми ІФАПЧ.

Опорний сигнал f_ОП = 10 кГц зі схеми формування опорного сигналу і перетворений сигнал СГ f_ГПД = 10 кГц ± Df зі схеми перетворення надходять на систему ІФАПЧ СГ.

Система імпульсно-фазового автопідстроювання частоти СГ містить у собі:

- імпульсно-фазовий детектор ІФД;

- схему форсування;

- підсилювач потужності з ФНЧ.

Використання схеми ІФАПЧ СГ дозволяє:

- реалізувати високу стабільність частоти ГПД, обумовлену стабільністю ОГ системи ФАПЧ;

- реалізувати високу спектральну частоту ВЧ- сигналу;

- забезпечити високу надійність ГПД;

- мікромініатюризувати апаратуру.

У системі ІФАПЧ СГ із цифровим дільником частоти (ДДПКД) у ланцюзі зворотного зв'язку СГ чуттєвим елементом є ІФД, на який подаються опорний сигнал і сигнал з виходу схеми ДДПКД.

Імпульсно-фазовий детектор складається з формувачів імпульсів ФІ-1 і ФІ-2, генератора пилкоподібної напруги (ГПН) G1, електронного ключа (ЕК) S1, запам'ятовуючого пристрою (ЗП) DS1 та буферного каскаду (витікового повторювача ВП) A1. На входи ІФД з ОГ і ГПД (СГ) надходять дві послідовності прямокутних імпульсів зі стандартними рівнями. Формувачі імпульсів ФІ-1, ФІ-2 забезпечують їм необхідну тривалість. Послідовність імпульсів ОГ (рис. 5, а) визначає період ГПН на його вході (рис. 5, в, е, и). У момент приходу імпульсів СГ (рис. 5, б, д, з) напруга на ГПН фіксується (рис. 5, в, е, и). Одночасно ключ S1, керований імпульсами ГПН, з'єднує вихід ГПН із ЗП. При розмиканні ключа на ЗП зберігається постійний рівень фіксованої напруги до приходу наступного імпульсу ГПН (рис. 5, г, ж, к).

Витіковий повторювач А1 перетворить високий вхідний опір ЗП (R_ВХ ≈ 10 МОм) у відносно низький вихідний опір ІФД. Напруга виходу ІФД пропорційна різниці зрушення фаз сигналів опорного і підстроювального генераторів (рис. 5, г, ж, к).

Генератор пилкоподібної напруги (рис. 6) зібраний на транзисторах Т19 і Т20. Вихідний імпульс зі схеми ДДПКД надходить на базу транзистора Т21 (формувач комутуючих імпульсів). Імпульсно-фазовий детектор зібраний за ключовою діодною схемою (діоди Д15-Д18).

Запам'ятовуюча ємність С32. Вихід ІФД навантажений на складений емітерний повторювач ЕП (Т22, Т23).

При відсутності імпульсів на вході ІФД транзистор Т20 закритий, а Т19 – відкритий. Ємність С22 заряджається по колу: джерело + 12 В (корпус), ємність С22, откритий транзистор Т 19, резистор R34, джерело -12 В. При приході опорного імпульсного сигналу транзистор Т20 відкривається, а транзистор Т19 – закривається. Ємність С22 розряджається через відкритий транзистор Т20. Час заряду ємності С22 складає приблизно 3/4 періоду, а час розряду – 1/4 періоду проходження опорних імпульсів. Після закінчення опорного імпульсу (з періодом 10 кГц) процес повторюється. При приході імпульсів з виходу схеми ДДПКД запускається блокінг-генератор на транзисторі Т21, сформований ним імпульс відкриває ключ на діодах Д15-Д18, припиняє заряд ємності С22 і підключає ємність С32 (ЗП) паралельно ємності С22. Якщо потенціал на ємності С32 більше потенціалу на ємності С22, то відбувається його зниження. Якщо потенціал ємності С32 менше потенціалу ємності С22, то відбувається його підвищення протягом тривалості імпульсу зі схеми ДДПКД.

Рис. 5. Часові діаграми імпульсно-фазового детектора

Рис.6. Принципова схема імпульсно-фазового детектора

Частота проходження опорних імпульсів 10 кГц. Частота проходження імпульсів зі схеми ДДПКД дорівнює 10 кГц ± Df, що відповідає розладнанню СГ від заданої частоти. Положення імпульсу з виходу ДДПКД щодо опорного імпульсу (інтервал Dt₁; Dt₂; Dt₃) залежить від частоти СГ (рис. 5, б, д, з), кожній з яких відповідає керуюча напруга U₁; U₂; U₃ (рис. 5, г, ж, к). На рис. 10, г, ж, к показані керуючі напруги U₁; U₂; U₃, що відповідають частоті проходження імпульсів СГ, відмінній від частоти 10 кГц. Положення імпульсу ДДПКД залежить від частоти СГ. При відхиленні частоти СГ від установленого значення положення імпульсу ДДПКД змінюється щодо опорного на величину ± t',
(± t''), що показано для двох значень імпульсів СГ на рис. 5, б, д, з.

На виході ІФД формується сигнал керування, пропорційний величині і знаку розладнання. Цей сигнал через СФ і ФНЧ надходить на СГ, підстроюючи під частоту
f_ОП = 10 кГц, помножену на обраний коефіцієнт розподілу ДДПКД. Вихідний сигнал ІФД із виходу А1 (ИП) подається на ПП, що представляє ЕП з динамічним навантаженням і служить для заряду конденсаторів ФНЧ при розімкнутих контактних реле Р1-Р3.

Обмотки реле Р1-Р3 є колекторним навантаженням одновібратора СФ (див. рис. 3).

Схема форсування (див. рис. 2) містить ПП, парафазний підсилювач, детектор і одновібратор.

При асинхронному режимі за рахунок зміни частоти настроювання системи на виході ІФД, а значить і на виході ПП, з'являється напруга частотної неузгодженості (частоти битів). Незалежно від полярності цієї напруги одновібратор виробляє імпульс t_ф = 200 мс. Реле Р1-Р3 спрацьовує, шунтуючи своїми контактами опору ФНЧ і перетворюючи систему ІФАПЧ у безфільтрову, що сприяє появі синхронізму в системі.

За час дії імпульсу форсування t_ф = 200 мс на конденсаторах ФНЧ установлюється напруга, що відповідає обраній частоті настроювання синтезатора. З ФНЧ напруга подається на аноди варикапів СГ.

Схема контролю, що показана на рис. 2, призначена для перевірки працездатності ЦСЧ.

Працездатність (готовність) синтезатора оцінюється за такими параметрами:

- наявності імпульсів на виході опорного дільника частоти (ОДЧ);

- наявності комутуючих імпульсів на виході ФІ-2;

- відсутності імпульсу на виході СФ.

Два перших сигнали подаються на імпульсні детектори з великою постійною часу, а з виходу цих детекторів ці два сигнали і напруга з виходу одновібратора СФ подаються на схему збігу SWT, навантаженням якої є реле Р4, що комутує ланцюги “ГОТОВНОСТЬ” і “НЕИСПРАВНОСТЬ”. При спрацьовуванні реле Р4 напруга у плюс 27 В (сигнал “НЕИСПРАВНОСТЬ”) подається на електронне реле часу (ЕРЧ) У5, що через СК формує сигнал “НЕИСПРАВНОСТЬ”.

Перетворювач частоти

Перетворювач частоти (див. рис. 2) призначений для формування частот у робочому діапазоні ПАР-10С, розміщається в лінійці П-205-1.

До складу перетворювача входять:

- схема формування частот у робочому діапазоні ПАР-10С;

- схема автоматичного регулювання посилення (АРП);

- схема аналізу (контролю).