Синтезатор сетки частот

Версия для печатиОтправить по E-mail

Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) находят все большее применение в любительских конструкциях, в частности в синтезаторах частоты. Объясняется это в первую очередь тем, что ФАПЧ позволяет точно синхронизовать частоту автогенератора каким-либо образцовым сигналом, частота которого близка к частоте автогенератора или к кратному ей значению. При этом в спектре синхронизируемого автогенератора не будет содержаться составляющих, которые есть в спектре синхронизирующего сигнала. Характерной особенностью системы ФАПЧ является то, что в стационарном режиме имеется некоторая остаточная разность фаз, в то время как частоты образцового и синхронизируемого генераторов совпадают.

Структурная схема простейшей системы ФАПЧ показана на рис. 4.8. Здесь 01 и 02 — соответственно образцовый и синхронизируемый генераторы, VI — фазовый детектор, 21— фильтр нижних частот (ФНЧ), Е1 — элемент, управляющий частотой и фазой синхронизируемого генератора.

Предположим, что после включения питания частоты генераторов 01 и 02 несколько отличаются. Тогда разность фаз двух сигналов будет непрерывно возрастать, а на выходе фазового детектора появится периодически изменяющееся напряжение, частота которого равна разности частот двух генераторов. Пройдя через ФНЧ, это напряжение воздействует на управляющий элемент Е1 и тем самым на частоту синхронизируемого генератора. Вследствие этого форма выходного сигнала фазового детектора искажается и в нем появляется постоянная составляющая. Воздействуя на элемент Е1, она уменьшает среднюю разность частот образцового и синхронизируемого генератора. Это в свою очередь вызывает еще большее искажение сигнала на выходе фазового детектора и дальнейшее уменьшение расстройки генераторов. Конечный результат этого воздействия — стационарный режим синхронизации частоты генератора 02 или, как его часто называют, режим удержания. Действительно, если теперь частота синхронизируемого сигнала изменится по какой-либо причине, то на выходе фазового детектора появится управляющее напряжение, которое устранит эту расстройку.

С переходом системы ФАПЧ из режима биений в режим синхронизации связаны понятия полосы удержания и полосы захвата. Полоса удержания — это максимальная расстройка генераторов, при которой еще возможен режим синхронизации. Полоса захвата — максимальная расстройка, при которой в любых начальных условиях устанавливается режим синхронизации. В общем случае эти полосы неодинаковы: все зависят от характеристик ФНЧ, включенного между фазовым детектором управляющим элементом.

С практической точки зрения весьма интересной является система ФАПЧ с импульсным фазовым детектором, которую можно использовать в качестве умножителя или делителя "частоты, в частности, в гетеродинах КВ трансиверов. Так, используя в качестве источника образцового ВЧ сигнала опорный гетеродин на 500 кГц блока формирования 55В, на основе системы ФАПЧ можно создать высокостабильный первый гетеродин без кварцевого резонатора, который бы генерировал сетку частот, кратную 500 кГц или 1 МГц. В таком гетеродине задающий генератор синхронизируется на гармониках опорного сигнала, поэтому между образцовыми генератором и импульсным фазовым детектором включают дополнительный каскад, формирующий из опорного (обычно синусоидального) сигнала короткие импульсы, богатые гармониками высоких порядков. Длительность этих импульсов должна быть меньше половины периода синхронизуемого генератора. Во избежание захвата на соседние гармоники полосу удержания при конструировании системы ФАПЧ (с учетом нестабильности синхронизируемого гетеродина) следует выбирать меньше частоты образцового генератора. Что же касается полосы захвата, то она должна" быть больше абсолютного значения расстройки синхронизируемого генератора, обусловленной его нестабильностью. Два последних требования ограничивают в обычных любительских конструкциях , максимальное значение коэффициента умножения частоты уровнем 20—30, а при очень тщательном выполнении синхронизируемого гетеродина — уровнем 40—60.

Принципиальная схема синтезатора сетки частот, предназначенного для использования в первом гетеродине современной спортивной аппаратуры, показана на рис. 4.9. Разработал ее москвич Ю. Щербак. Синтезатор формирует сетку частот в интервале 5—31 МГц с шагом в 1 МГц. При первой промежуточной частоте 1—2 МГц подобный синтезатор обеспечит прием в полосе частот от 3 до 30 МГц.

С образцового генератора (на рис. 4.9 не показан) синусоидальный сигнал частотой 1 МГц поступает на формирователь импульсов. Он выполнен на транзисторе 77 и туннельном диоде Д1. Относительно плавные изменения тока через транзистор приводят к резким скачкам напряжения на туннельном диоде. Отрицательные перепады этих импульсов дифференцируются цепочкой С4Я6. На транзисторе Т2 собран широкополосный усилитель. С его выхода короткие импульсы с частотой повторения 1 МГц поступают на импульсный фазовый детектор на диодах ДЗ — Д6. Во время действия импульса диоды ДЗ—Д6 открываются, и конденсатор С8 на короткое время оказывается соединенным с выходом синхронизируемого генератора, сигнал с которого на фазовый детектор поступает через эмиттерный повторитель на транзисторе ТЗ.

По отношению к некоторому первоначальному значению, задаваемому делителем на резисторах НЮ и К.11 (предварительное смещение на варикап Д7), напряжение на конденсаторе изменяется на значение напряжения, поступающего в данный момент с синхронизируемого генератора. Постоянную времени цепочки Н9С6 выбирают такой, чтобы в паузах между открывающими импульсами диоды ДЗ—Д6 были закрыты. Диод Д2 шунтирует обмотку трансформатора Тр1 при появлении импульсов обратной (отрицательной) полярности, устраняя тем самым их влияние на работу фазового детектора.

Емкость конденсатора С8 выбирают по допустимым пульсациям на выходе детектора. Поскольку в данном случае нагрузкой фазового детектора является весьма высокоомный прибор — варикап, то конденсатор небольшой емкости уже обеспечивает необходимую фильтрацию управляющего напряжения.

Синхронизируемый генератор выполнен на туннельном диоде Д8. Для достижения высокой чистоты спектра и стабильности выходного сигнала синтезатора важно, чтобы амплитуда ВЧ напряжения на колебательном контуре задающего генератора и, в частности на варикапе, была как можно меньше. Именно поэтому в задающем генераторе синтезатора и был применен туннельный диод.

Высокочастотное напряжение, развиваемое синхронизируемым генератором, усиливается трехкаскадным широкополосным усилителем на транзисторах Т4 — Т6. Два каскада (на транзисторах Т4 и Т6) — эмиттерные повторители. Это практически полностью исключает влияние нагрузки на частоту подстраиваемого генератора. Падение напряжения на резисторах Н16 и Р20 (из-за протекания токов всех трех каскадов широкополосного усилителя) используется для создания смещения на туннельном диоде Д8.

Изменение коэффициента умножения достигается соответствующим выбором параметров колебательного контура ЫС10. Когда разность частот между одной из гармоник образцового напряжения и собственно частотой задающего генератора окажется меньше полосы захвата системы ФАПЧ, то произойдет синхронизация частоты задающего генератора.

Частотой синтезатора удобно управлять двумя переключателями. Одним из них устанавливают десятки мегагерц принимаемого сигнала (О, 10 МГц, 20 МГц), а другим — единицы мегагерц (0, 1 МГц, 2 МГц — 9 МГц). Первым переключателем (на три положения и два направления) выбирается одна из трех катушек индуктивности. Второй переключатель (на десять положений и три направления) подключает параллельно каждой катушке по конденсатору.

При повторении синтезатора частоты следует особое внимание обращать на экранировку всех его блоков при одновременной самой тщательной их развязки по цепям питания. Наличие коротких импульсов с частотой повторения 1 МГц может привести к появлению при приеме сигналов пораженных точек, кратных 1 МГц. Если их уровень не будет превышать 55 — 56, то с этим можно вполне смириться, поскольку они будут соответствовать начальным частотам любительских диапазонов, и, следовательно, не помешают ведению связей.