Тема 5. Синтезаторы частоты Общие сведения Синтезатор частот

Тема 5. Синтезаторы частоты
Общие сведения
Синтезатор частот – цифровые устройства, у которых частота формируемых сигналов
может изменяться пропорционально коду К с шагом F0, т.е. Fвых= F0·К, где F0 – шаг изменения
частоты. Из соотношения следует, что синтезаторы умножают частоту F0 на соответствующий
коэффициент.
Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в
радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других
устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая
стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой
автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного
генератора с кварцевой стабилизацией.
Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем
традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или ёмкости,
очень широкий диапазон перестройки без каких-либо коммутаций и практически мгновенное
переключение на любую заданную частоту.
Основные характеристики
Синтезаторы частот должны удовлетворять требованиям по совокупности технических
характеристик, регламентируемых соответствующими нормами и стандартами на устройства, в
которых они применяются. Важнейшими из таких характеристик являются:
1. Диапазон частот выходного сигнала ΔfСЧ − область частот между минимальным и
максимальным номинальными значениями частоты выходного колебания.
2. Шаг сетки частот FШ − минимальный частотный интервал между соседними значениями
частоты выходного сигнала.
3. Величина выходного напряжения на заданном сопротивлении нагрузки − UВЫХ СЧ.
4. Уровень дискретных побочных спектральных составляющих при конкретной частотной
отстройке от номинального значения частоты выходного колебания.
5. Уровень побочных спектральных составляющих, лежащих в полосе частот ΔF при отстройке
от несущей на величину F, или интегральные оценки качества выходного сигнала такие, как
среднеквадратическое значение паразитного отклонения частоты (фазы), измеренное в полосе
частот от FН до FВ.
6. Время установления частоты (tп) − наибольшее из времен установления частоты выходного
колебания, определяемое как интервал времени между моментом окончания команды на
перестройку и моментом, после которого отклонение частоты (фазы) не превышает заданного
значения.
Помимо перечисленных технических характеристик к синтезаторам частот предъявляется
целый ряд дополнительных требований таких, как: способ управления параметрами генерируемых
колебаний, допустимое энергопотребление, климатические условия эксплуатации, предельная цена и
т.п.
Классификация схем синтеза частот
Все многообразие известных к настоящему времени схем синтеза частот принято подразделять
на системы прямого и косвенного типа.
Основное их различие в том, что в синтезаторах частот прямого типа выходной сигнал
образуется в результате использования таких преобразований сигналов, при которых происходит
алгебраическое сложение, умножение или деление частот. В синтезаторах косвенного типа для
получения выходного сигнала используются системы автоподстройки частоты (фазовой − ФАПЧ,
или совместно частотной − ЧАП и фазовой). Многие из известных схем синтезаторов частот
используют одновременно оба принципа синтеза частот и классифицируются как комбинированные
синтезаторы частот.
К бесспорным достоинствам схем прямого синтеза следует отнести возможность реализации
высокого и сверхвысокого быстродействия. Время переключения при перестройке на любую из
частот может быть доведено до величин порядка наносекунд при практически сколь угодно малом
шаге сетки частот. В то же время к недостаткам таких синтезаторов частоты следует отнести
трудности с обеспечением заданной спектральной чистоты выходного сигнала (из-за наличия
большого количества побочных спектральных компонент, вызванных многочисленными
нелинейными преобразованиями сигналов), требующие использования сложных в реализации и
настройке схем фильтрации, не поддающихся, как правило, микроминиатюризации.
Особое место в технике синтеза частот занимает получающая все более широкое развитие в
последние годы такая разновидность синтезатора частот прямого типа, как цифровые
вычислительные синтезаторы (ЦВС).
В системах косвенного типа требуемые качественные показатели выходного сигнала
достигаются сравнительно легко (так как выходной сигнал снимается непосредственно с
перестраиваемого по частоте автогенератора без дальнейших нелинейных преобразований), но в то
же время из-за необходимости учета переходных процессов в кольцах автоподстройки частоты,
предельное быстродействие таких синтезаторов частоты ниже, чем в синтезаторах частоты прямого
типа (особенно при необходимости получения малого значения шага сетки частот). Кроме того,
достоинством таких систем является простота реализации, высокая надежность, возможность
комплексной микроминиатюризации.
Перечисленные преимущества систем косвенного синтеза обусловили их широкое применение
в устройствах связи и радиовещания метрового, дециметрового и более высокочастотных
диапазонов, где величина шага сетки частот обычно не менее нескольких кГц, требования по
быстродействию синтезаторов частоты не очень жесткие (tп обычно не менее долей миллисекунды),
и в то же время предъявляются повышенные требования к качеству спектра выходного сигнала,
надежности работы, необходимости обеспечения приемлемых массогабаритных параметров (как ,
например, в системах низовой радиосвязи).
2