Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приемника без подачи модулирующего сигнала.
Техническим результатом является значительное расширение диапазона модулирующих частот в область нижних частот и получение равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями.
Для этого в предлагаемое устройство введены: первый и второй регулируемые усилители, интегратор, сумматор и микроконтроллер.
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приемника без подачи модулирующего сигнала.
Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с частотной модуляцией (ЧМ), построенный на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи, в котором модулирующий сигнал поступает на модулирующий вход управляемого генератора (УГ) (см. свидетельство на полезную модель №22729 от 31.10.2001 г.)
В этом ЦСЧ с ЧМ для ослабления частотных искажений и помех в области нижних модулирующих частот вводится отрицательная обратная связь (ООС) по фазе в опорном канале с выхода петлевого фильтра нижних частот (ФНЧ) через последовательно соединенные усилитель постоянного тока (УПТ), инвертор (ИНВ) и ключ (Кл) на фазовый модулятор (ФМ), включенный между опорным генератором (ОГ) и делителем частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД).
Недостаток известного устройства в том, что при включении ФМ после ОГ для ослабления частотных искажений и помех в области нижних модулирующих частот необходимо получать большую девиацию фазы в ФМ, что не выполнимо при линейном режиме в ФМ.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является однокольцевой ЦСЧ с ЧМ (см. свидетельство на ПМ №29813 от 20.12.2002 г.), который принят за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - управляемый генератор (УГ);
2 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
3 - импульсно-фазовый детектор (ИФД);
4 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
5 - усилитель постоянного тока (УПТ);
6 - инвертор (ИНВ);
7 - ключ (Кл);
8 - фазовый модулятор (ФМ);
9 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
10 - опорный кварцевый генератор (ОКГ);
11 - делитель частоты (ДЧ);
12 - индикатор синхронизма (ИС);
13 - источник модулирующего сигнала (ИМС).
Устройство-прототип содержит соединенные в кольцо управляемый генератор УГ 1, ДПКД 2, ИФД 3 и ФНЧ 4, выход которого соединен с управляющим входом УГ 1; последовательно соединенные ОКГ 10, ДЧ 11, ФМ 8
и ДФКД 9, выход которого соединен со вторым входом ИФД 3; последовательно соединенные УПТ 5, ИНВ 6 и ключ Кл 7, выход которого соединен с модулирующим входом ФМ 8, а также ИС 12, выход которого соединен с управляющим входом Кл 7, а вход - с выходом ИФД 3, и ИМС 13, выход которого соединен с модулирующим входом УГ 1. При этом вход УПТ 5 соединен с выходом ФНЧ 4.
Устройство-прототип работает следующим образом.
После установления режима синхронизма в кольце ИФАПЧ при подаче модулирующего напряжения от ИМС 13 на модулирующий вход УГ 1 происходит его частотная модуляция. При этом импульсы на выходе ДПКД 2 будут промодулированы по фазе в соответствии с модуляцией УГ 1 информационным сигналом от ИМС 13. С выхода ДПКД 2 модулированные по фазе короткие импульсы поступают на первый вход ИФД 3, где сравниваются с короткими опорными импульсами с выхода ДФКД 9 с частотой сравнения F СР, получающимися в результате деления частоты ОКГ 10 на постоянные коэффициенты деления в ДЧ 4 и ДФКД 9. В результате сравнения этих импульсов по частоте и фазе на выходе ИФД 3 вырабатывается управляющее напряжение, которое через петлевой ФНЧ 4 поступает на управляющий вход УГ 1 для его подстройки под опорный сигнал. Одновременно управляющий сигнал с выхода петлевого ФНЧ 4 через УПТ 5, ИНВ 6 и Кл 7 (открытый в режиме синхронизма по разрешающему сигналу от ИС 12) поступает на модулирующий вход ФМ 8 и модулирует его входные опорные импульсы по фазе, что ослабляет реакцию кольца МФАПЧ на модулирующее воздействие в области нижних модулирующих частот. Кроме того, наличие отрицательной обратной связи по фазе ослабляет паразитную ЧМ, возникающую в выходном сигнале ЦСЧ из-за влияния дестабилизирующих факторов на опорный сигнал.
В переходном режиме при переключении частот ЦСЧ, когда разность фаз на входах ИФД 3 превышает заранее установленную величину, от выходного сигнала ИФД 3 срабатывает ИС 12 и на его выходе формируется запрещающий сигнал, который поступает на управляющий вход Кл 7. В результате этого Кл 7 закрывается и в кольце ИФАПЧ происходит обычная подстройка частоты синтезатора.
Достоинством устройства-прототипа является то, что в нем для ослабления частотных искажений и помех в области нижних модулирующих частот необходимо иметь девиацию фазы в ФМ R-раз меньше, чем в аналоге из-за наличия ДЧ 11 с коэффициентом деления R. перед ФМ 8. Одновременно для уменьшения уровня паразитной частотной модуляции (ПЧМ), возникающей в опорном канале, в устройстве-прототипе действует ООС с выхода ФНЧ 7 через УПТ 5, ИНВ 6 и Кл 7 на модулирующий вход ФМ 8 таким образом, что все помехи в опорном канале и шумовые составляющие отрабатываются в сторону уменьшения.
Недостаток устройства прототипа состоит в том, что в нем ослабление частотных искажений осуществляется с помощью отрицательной обратной связи в опорном канале не по частоте, а по фазе, поэтому эффективность ослабления частотных искажений с уменьшением значений модулирующих частот падает при
конечном значении коэффициента усиления УПТ5 в цепи обратной связи, т.е. при конечном значении коэффициента регулирования в цепи обратной связи.
Для устранения указанного недостатка в цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий соединенные в кольцо управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор, который широко применяется в цифровых синтезаторах частот вместо ИФД и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора; последовательно соединенные опорный кварцевый генератор, делитель частоты, фазовый модулятор и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора; последовательно соединенные усилитель постоянного тока, инвертор и ключ, а также индикатор синхронизма, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а вход - с выходом частотно-фазового детектора, и источник модулирующего сигнала, при этом вход усилителя постоянного тока соединен с выходом фильтра нижних частот, введены последовательно соединенные первый регулируемый усилитель, интегратор и сумматор, выход которого соединен с модулирующим входом фазового модулятора, второй регулируемый усилитель, включенный между выходом источника модулирующего сигнала и модулирующим входом управляемого генератора, и микроконтроллер, управляющая шина которого соединена с управляющими входами делителя частоты с переменным коэффициентом деления, первого и второго регулируемых усилителей. При этом второй вход сумматора соединен с выходом ключа, а выход управляемого генератора одновременно является выходом устройства.
Существенным отличием предложенного технического решения является то, что с помощью введенных новых элементов, объединенных соответствующими связями с остальными узлами схемы, возможно полное ослабление частотных искажений при нижних модулирующих частотах, близких к нулевой частоте при сохранении эффекта ослабления помех.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - управляемый генератор (УГ);
2 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
3 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);
4 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
5 - усилитель постоянного тока (УПТ);
6 - инвертор (ИНВ);
7 - ключ (Кл);
8 - фазовый модулятор (ФМ);
9 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
10 - опорный кварцевый генератор (ОКГ);
11 - делитель частоты (ДЧ);
12 - индикатор синхронизма (ИС);
13 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
14 - первый регулируемый усилитель (1РУ);
15 - интегратор (ИНТ);
16 - сумматор (СУМ);
17 - второй регулируемый усилитель (2РУ);
18 - микроконтроллер (МК).
Предлагаемое устройство содержит соединенные в кольцо управляемый генератор УГ 1, ДПКД 2, ЧФД 3 и ФНЧ 4, выход которого соединен с управляющим входом УГ 1; последовательно соединенные ОКГ 10, ДЧ 11, ФМ 8 и ДФКД 9, выход которого соединен со вторым входом ЧФД 3; последовательно соединенные УПТ 5, ИНВ 6 и Кл 7; последовательно соединенные первый регулируемый усилитель 1РУ 14, ИНТ 15 и СУМ 16, выход которого соединен с модулирующим входом ФМ 8, а также ИС 12, выход которого соединен с управляющим входом Кл 7, а вход - с выходом ЧФД 3, второй регулируемый усилитель 2РУ 17, включенный между выходом ИМС 13 и модулирующим входом УГ 1, и микроконтроллер МК 18, управляющая шина которого соединена с управляющими входами ДПКД 2, первого и второго регулируемых усилителей 1РУ 14 и 2РУ 17. При этом вход УПТ 5 соединен с выходом ФНЧ 4, выход Кл 7 соединен со вторым входом СУМ 16, а выход УГ 1 одновременно является выходом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В режиме синхронизма модулирующий сигнал U M(t) подается от ИМС 13 через второй 2РУ 17 на модулирующий вход УГ 1 и через первый 1РУ 14, ИНТ 15 и СУМ 16 на модулирующий вход ФМ 8 в опорном канале. С выхода ФМ 8 на вход ДФКД 9 поступают короткие импульсы, промодулированные по фазе так же, как и импульсы с выхода ДПКД 2. В результате на первый и второй входы ЧФД 3 поступают импульсы, одинаково промодулированные по фазе. При этом на выходе ЧФД 3 формируется управляющее напряжение, которое после ФНЧ 4 поступает на управляющий вход УГ 1 и подстраивает его по частоте и фазе под опорный сигнал. В этом управляющем напряжении уже отсутствует составляющая от реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее воздействие, что позволяет полностью ослабить частотные искажения на нижних модулирующих частотах практически до нулевой частоты.
Для эффективного ослабления частотных искажений при перестройке ЦСЧ в заданном диапазоне несущих частот используются первый и второй РУ, коэффициенты передачи которых изменяются по командам от МК 13 по управляющей шине следующим образом: во втором РУ 17 коэффициент передачи изменяется обратно пропорционально изменению крутизны УГ 1, в первом РУ 14 - обратно пропорционально коэффициенту деления N в ДПКД 2.
Управляющая шина от МК 18 представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы; 2) информационный сигнал; 3) импульс разрешения записи передаваемой информации в один из блоков: ДПКД 2, 1РУ 14, 2РУ 17.
Возможность осуществления предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Цифровая часть синтезаторов выполняется на микросхемах ЦСЧ с ИФАПЧ разных фирм. Например, микросхемы LMX2364, LMX2470 фирмы National Semiconductor или ADF4001, ADF4252 фирмы Analog Devices. Схемы
интегратора и сумматора построены на основе операционных усилителей AD822AR фирмы Analog Devices. Регулируемые усилители также могут быть выполнены на тех же операционных усилителях AD822AR фирмы Analog Devices совместно с цифровыми потенциометрами на микросхеме AD8402AR10 фирмы Analog Devices. Управление цифровыми потенциометрами происходит по управляющей шине от микроконтроллера, который может быть использован типа C8051F221 фирмы SILABS (CYGNAL).
Таким образом, в предлагаемом ЦСЧ с ЧМ имеется возможность значительно расширить диапазон модулирующих частот в область нижних частот и получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот до нулевой частоты с сохранением эффекта уменьшения уровня ПЧМ в выходном сигнале синтезатора из-за влияния дестабилизирующих факторов на опорный сигнал.
Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий соединенные в кольцо управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора; последовательно соединенные опорный кварцевый генератор, делитель частоты, фазовый модулятор и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора; последовательно соединенные усилитель постоянного тока, инвертор и ключ, а также индикатор синхронизма и источник модулирующего сигнала, при этом вход усилителя постоянного тока соединен с выходом фильтра нижних частот, выход индикатора синхронизма соединен с управляющим входом ключа, а вход - с выходом частотно-фазового детектора, в него введены последовательно соединенные первый регулируемый усилитель, интегратор и сумматор, выход которого соединен с модулирующим входом фазового модулятора, второй регулируемый усилитель, включенный между выходом источника модулирующего сигнала и модулирующим входом управляемого генератора, а также микроконтроллер, управляющая шина которого соединена с управляющими входами делителя частоты с переменным коэффициентом деления, первого и второго регулируемого усилителя, при этом второй вход сумматора соединен с выходом ключа, а выход управляемого генератора является одновременно выходом устройства.
