Синтезатор частот

 

Использование: радиоприемные, радиопередающие устройства, измерительная техника. Сущность изобретения: синтезатор частот содержит опорный генератор, формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, генераторы тока, компаратор, первую и вторые цепи, состоящие из управляемого ключа и конденсатора, сумматор токов, формирователь содержит накопительный сумматор, сумматор кодов и регистр памяти. Это позволяет повысить спектральную чистоту выходных сигналов. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для синтеза частот и сигналов в радиопередающих, радиоприемных устройствах, а также в измерительной технике.

Известен синтезатор частот, содержащий соединенные в кольцо устройство вычитания импульсов, счетчик с переменным коэффициентом пересчета, первый генератор пилообразного напряжения, компаратор и накапливающий сумматор, а также опорный генератор и второй генератор пилообразного напряжения, включенный между дополнительным выходом счетчика и вторым входом компаратора.

Известное устройство использует метод двухуровневого пассивного цифрового синтеза с задержкой выходных импульсов в пределах периода Т_оопорного колебания по коду х_i отклонения временного положения выходных импульсов от идеально равномерной во времени последовательности импульсов требуемой частоты. Для полной компенсации отклонения необходимо выполнение двух условий: во-первых, максимальная величина задержки должна быть равна Т_о на любой выходной частоте и, во-вторых, временная задержка должна точно соответствовать коду х_i, содержащему в памяти накапливающего сумматора.

Первое условие выполняется точно только на какой-нибудь одной из синтезируемых частот, выполнение второго ограничивается возможностью обоих генераторов реализовать крутизну нарастающего напряжения, пропорциональную х_i. Неполная компенсация ошибки временного положения импульсов приводит к возникновению в спектре выходного колебания побочных спектральных составляющих (ПСС).

Первая причина возникновения ПСС устранена в синтезаторе частот, содержащем опорный генератор, последовательно соединенные накапливающий сумматор, блок вычитания импульсов и счетчик с переменным коэффициентом пересчета, компаратор, выход которого является выходом устройства, и два генератора пилообразного напряжения, каждый из которых содержит генератор тока и соединенные параллельно ключ и конденсатор.

Подавая на вход сумматора кода, включенного между кодовыми входами генераторов пилообразного напряжения, код выходной частоты, удается обеспечить равенство максимальной величины задержки периоду Т_о опорного колебания во всем диапазоне выходных частот. Однако остается вторая причина возникновения ПСС. Даже в том случае, когда для повышения точности воспроизведения кода х_i ток в генераторах пилообразного напряжения задается прецезионными цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), остается ошибка воспроизведения, равная половине младшего разряда. В результате при использовании двух независимых ЦАП одинаковой разрядности ошибка в воспроизведении корректирующей задержки _iскладывается из двух ошибок и равна =2^-mT_o, (1) где Т_о=1/f_o - период частоты опорного генератора; m - число разрядов ЦАП.

Таким образом к недостатку прототипа следует отнести недостаточное подавление ПСС в спектре выходного колебания.

Цель изобретения - повышение спектральной чистоты выходного колебания.

Для достижения цели в синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, первый генератор тока и компаратор, второй генератор тока, первую цепь, которая выполнена из параллельно соединенных первого управляемого ключа и первого конденсатора, вторую цепь, которая выполнена из параллельно соединенных второго управляемого ключа и второго конденсатора, при этом формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов содержит накопительный сумматор, вход которого является входом этого формирователя, управляющие входы первого и второго управляемых ключей соединены с выходами соответственно первой и второй импульсных последовательностей формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, первые выводы первой и второй цепи подключены к общей шине, вторые выводы первой и второй цепи соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, введен сумматор токов, а в формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов введены регистр памяти и сумматор кодов, при этом первый вход регистра памяти и первый вход накопительного сумматора соединены и являются входом формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, выход переполнения накопительного сумматора соединен с первым входом сумматора кодов, выход которого является выходом формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, а второй вход которого соединен с вторым входом накопительного сумматора и является управляющим кодовым входом синтезатора частот, первый и второй входы сумматора токов соединены соответственно с вторым выходом первого генератора тока и выходом второго генератора тока, а выход сумматора токов подключен к второму входу компаратора, первый и второй выходы регистра памяти являются выходами соответственно первой и второй импульсных последовательностей формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов.

Суть изобретения заключается в том, что, как и в прототипе, время задержки выходных импульсов определяется моментом равенства напряжений на двух конденсаторах, входящих в первую и вторую цепи, соединенных с двумя входами компаратора, причем заряд конденсаторов начинается со сдвигом во времени на период Т_о опорного колебания. Такое решение обеспечивает компенсацию нелинейности процесса заряда при условии идентичности нелинейных характеристик. Принципиальная новизна заключается в том, что для повышения точности воспроизведения кода х_iдля заряда обоих конденсаторов используется один и тот же генератор тока, управляемый кодом х_i ошибки временного положения i-го выходного импульса. Кроме того, новым является управление вторым генератором тока кодом выходной частоты, что, с одной стороны, обеспечивает одинаковую максимальную задержку, равную Т_о, во всем диапазоне частот, и в то же время позволяет не учитывать вносимую им ошибку, так как на любой конкретной частоте его ток постоянен. В результате, как будет показано ниже, ошибка в воспроизведении времени _i определится формулой _i=_i2^-(m+1), (2) т.е. в предложенном устройстве ошибка, во-первых, пропорциональна _i , и, во-вторых, даже при максимальном _imax=T_o в два раза меньшем чем в прототипе. В результате удается уменьшить уровень побочных спектральных составляющих по меньшей мере на 12 дБ.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого синтезатора частот; на фиг.2 - один из вариантов реализации двух идентичных выходов первого генератора тока.

Синтезатор частот, изображенный на фиг.1, содержит соединенные последовательно опорный генератор 1, формирователь 2 двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, генератор 3 тока, компаратор 4, выход которого является выходом синтезатора частот, а также цепь 5, выполненную из параллельно соединенных управляемого ключа 6 и конденсатора 7, цепь 8, выполненную из параллельно соединенных управляемого ключа 9 и конденсатора 10.

В состав синтезатора также входят соединенные последовательно генератор 11 тока и сумматор 12 токов, соединенный вторым входом с выходом генератор 3 тока, а выходом - с вторым входом компаратора 4.

Первые выводы цепей 5 и 8 подключены к общей шине 16, а их вторые выводы соответственно соединены с первым и вторым входами компаратора 4.

В состав формирователя 2 двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов входят соединенные последовательно накопительный сумматор 13 и сумматор 14 кодов, а также регистр 15 памяти.

Вход накопительного сумматора 13 является входом формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов и соединен с первым входом регистра 15 памяти.

Вторые выходы накопительного сумматора 13 и сумматора 14 кодов соединены с входом генератора 11 тока и являются управляющим кодовым входом синтезатора частот.

Второй выход накопительного сумматора 13 подключен к второму входу регистра 15 памяти, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами цепей 5 и 8.

Выход сумматора 14 кодов является первым выходом формирователя 2 двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов.

Первый и второй выходы регистра 15 памяти являются соответственно вторым и третьим выходами формирователя 2 двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов.

Все узлы предлагаемого устройства достаточно широко известны. В качестве опорного генератора 1 может быть использован стандартный кварцевый генератор типа "Гиацинт". Компаратор 4 может быть выполнен на ИМС 597 СА1 или СА2. Ключи 6 и 9 выполняются обычно на быстродействующих транзисторах. Генераторы 3 и 11 тока предпочтительнее выполнить на базе ЦАП, например 1118ПА1.

Сумматор 12 токов может быть выполнен, например, в виде двух каскадов усиления, собранных по схеме с общей базой и работающих на общую нагрузку.

Для создания двух идентичных выходов у генератора 3 тока можно использовать схему "токового зеркала" (фиг.2). Изображенный на фиг.2 генератор 3 тока состоит из ЦАП, транзисторов Т1-Т4 и резисторов R1-R4. Вход ЦАП является входом генератора 3 тока. Базы всех транзисторов и коллекторы транзисторов Т2 и Т3 соединены с выходом ЦАП.

Резисторы R1-R4 соединены первым выводом с соответствующим эмиттером транзисторов Т1-Т4. Вторые выводы резисторов заземлены. Выводы коллекторов транзисторов Т1 и Т4 являются соответственно первым и вторым выходами генератора 3 тока.

Основной указанной схемы является токоотвод с диодным смещением (генератор тока).

Токоотвод работает следующим образом. Через транзистор в диодном включении Т2 (Т3) протекает ток I_х, который вызывает на нем падение напряжения U_БЭ2 (U_БЭ3), пропорциональное этому току. Напряжение U_БЭ2(U_БЭ3) приложено к переходу база-эмиттер транзистора Т1 (Т4), вызывая протекание через последний токи I_х (_Iy). Если транзисторы Т1-Т4 выполнены по групповой полупроводниковой технологии (как, например, транзисторные сборки серии 198НТ), и геометрии их переходов согласованы с большой точностью, ток I_y= I_х. Резисторы R1-R4 могут отсутствовать; они используются для компенсации небольших различий величин U_БЭ транзисторов Т1-Т4. Из сказанного видно, что использование двух согласованных токоотводов (Т1. Т2 и Т3, Т4) позволяет сформировать ток I1=хI_о/2 и I2=хI_о/2, равные половине исходного тока хI_о.

Синтезатор частот работает следующим образом.

Опорный генератор 1 создает равномерную импульсную последовательность с постоянной частотой следования f_о. Формирователь 2 двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов осуществляет деление частоты f_о на дробно-рациональное число N= , где f_вых - требуемая частота следования импульсов на выходе синтезатора. Код В_f частоты f_выхпоступает на формирователь 2 извне. Формирователь 2 имеет три выхода. На двух выходах регистра 15 памяти создаются последовательности импульсов частотой f_вых, причем вторая последовательность задержана относительно первой на период частоты опорного генератора T_o= . Эти последовательности импульсов оптимальны, т.е. временное положение импульсов отличается от идеально равномерного на величину, не превышающую 0,5 Т_о. Код А_i на выходе сумматора 14 кодов непрерывно меняется. В каждый конкретный момент t_i он равен временной ошибке положения i-го импульса, который будет выделен на первом выходе регистра 15 памяти.

Покажем, как образуются перечисленные сигналы на трех выходах формирователя. На вход накапливающего сумматора (НС) 13 по модулю М поступает код В_f. С каждым периодом частоты опорного генератора 1 T_o= код на выходе НС 14 увеличивается на величину В_f до тех пор, пока не превышает величины М. В этот момент происходит переполнение НС 13 и на первом его выходе (переноса) появляется сигнал, поступающий на регистр 15 памяти. В регистре 15 этот сигнал задерживается на несколько тактов частоты опорного генератора 1 (обычно на 3-4 такта) и используется далее для запуска ключей 6 и 9, при этом, если сигнал для запуска ключа 6 снимается с n-го триггера регистра 15, то сигнал для запуска ключа 9 снимается с (n+1)-го выхода регистра 15, что обеспечивает постоянную калиброванную задержку на период Т_о тактовой частоты регистра 15. В момент появления сигнала переполнения код х_i на выходе НС 13 пропорционален времени _io, на которое импульс идеальной равномерной (гипотетической) последовательности опережает реальный импульс _io= T_o . Однако изменить временное положение реального импульса в сторону опережения физически невозможно, поэтому вводится дополнительный сумматор 14 кодов, вычисляющий код А_i=А_f-х_i, который пропорционален времени _i3 запаздывания следующего импульса гипотетической последовательности относительно реального _i3 = T_o (3) На эту величину должен быть задержан i-й импульс на выходе компаратора 4.

Код А_i поступает на управляющий вход генератора 3 тока и вызывает ток I_i=K₁A_i, (4) где К₁ - коэффициент пропорциональности.

Генератор 3 тока имеет два равноценных выхода, на каждом из которых ток равен 0,5 I_i. Ток I_i1=0,5Т_i с первого выхода поступает на параллельное соединение ключа 6, калиброванной емкости конденсатора 7 и первого входа компаратора 4. Ток с второго выхода генератора 3 тока поступает на сумматор 12 токов, на второй вход которого поступает ток I_fс выхода генератора 11 тока. Ток I_f пропорционален выходной частоте I_f=К₂В_f, где В_f - код частоты f_вых, и не меняется во времени на данной частоте.

Таким образом на выходе сумматора 12 токов образуется ток I_i2= 0,5I_i+I_f, поступающий на параллельное соединение ключа 9, второй калиброванной емкости конденсатора 10 и второго входа компаратора 4.

Для простоты начнем рассмотрение работы устройства с идеального случая, считая ток I_i(t) абсолютно линейным и не меняющимся в процессе заряда калиброванных емкостей. По окончании i-1-го импульса на втором выходе регистра 15 памяти оба ключа 6 и 9 замкнуты и, следовательно, обе калиброванные емкости конденсаторов 7 и 10 разряжены. На выходе сумматора 14 кодов устанавливается код А_i, пропорциональный времени _i, на которое надо задержать следующий i-й импульс, чтобы добиться на выходе идеальной равномерной последовательности. В соответствии с кодом А_i в генераторе 3 тока устанавливается ток I_i.

В момент начала i-го импульса на первом выходе регистра 15 памяти ключ 6 размыкается и начинается заряд калиброванной емкости конденсатора 7 током I_i=0,5К_iА_i. Напряжение на первом входе компаратора 4 растет по закону U₁(t) = t, где С - емкость конденсатора 6. Через время Т_о возникает импульс на втором выходе формирователя 2, который размыкает ключ 9, что позволяет начать заряд калиброванной емкости конденсатора 10 током I_i2= 0,5К₁А_i+К₂В_f. Напряжение на втором входе компаратора 4 растет по закону U₂(t) = (t-T_o) Импульс на выходе компаратора 4 возникает в момент t_i равенства напряжений на его входах. Из уравнения U₁(t_i)=U₂(t_i)=0,5К₁А_i = (0,5К₁А_i+К₂В_f) нетрудно найти
t_i= T1 + . Отсюда
t_i= t_i-T_o= T_o . Полученное запаздывание при правильном выборе коэффициентов пропорциональности (К₁= 2К₂) точно равно ошибке временного положения i-го импульса положения i-го импульса на выходе формирователя 2 (см. формулу 3).

Следовательно, на выходе компаратора 4 в идеальном случае ошибка во временном положении импульсов полностью устранена и побочные спектральные составляющие отсутствуют.

Реально такая ситуация недостижима из-за аппаратной ошибки при цифроаналоговом преобразовании кода А_i. При этом ток первого генератора 3 тока вместо равенства (4) описывается выражением
I_i= К_iА_i[1+I_mах2^-(m+1)] , где m - число разрядов ЦАП в генераторе 3 тока. В результате напряжения на первом и втором входах компаратора 4 описываются выражениями
U₁(t)= К₁А_i[12^-(m+1)],
U₂(t)= { 0,5К₁А_i[12^-(m+1)]+К₂В_f}. Решая полученную систему уравнений, находим момент t_i, соответствующий появлению импульса на выходе компаратора 4
t_i=Т_о{1+ [1+2^-(m+1)]}. Следовательно, реальная схема реализует
t_i= _i[12^-(m+1)] и временное отклонение импульсов на выходе формирователя 2 компенсируется на выходе устройства с ошибкой =/t_i-_i/= _i2^-(m+1). Максимальная величина остаточной ошибки в два раза меньше, чем в ранее известных устройствах (Т_о2^-m), кроме того она не постоянна, а снижается с уменьшением величины _i. Внедрение предлагаемого устройства позволяет сохранить все преимущества прототипа и дополнительно уменьшить уровень побочных спектральных составляющих по меньшей мере на 12 дБ.

Формула изобретения

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, первый генератор тока и компаратор, второй генератор тока, первую цепь, которая выполнена из параллельно соединенных первого управляемого ключа и первого конденсатора, вторую цепь, которая выполнена из параллельно соединенных второго управляемого ключа и второго конденсатора, при этом формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов содержит накопительный сумматор, управляющие входы первого и второго управляемых ключей соединены с выходами соответственно первой и второй импульсных последовательностей формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, первые выводы первой и второй цепей подключены к общей шине, вторые выводы первой и второй цепей соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения спектральной чистоты выходных сигналов, введен сумматор токов, а в формирователь двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов введены регистр памяти и сумматор кодов, при этом первый вход регистра памяти и первый вход накопительного сумматора соединены и являются входом формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, выход переполнения накопительного сумматора соединен с вторым входом регистра памяти, кодовый выход накопительного сумматора соединен с первым входом сумматора кодов, второй вход которого соединен с вторым входом накопительного сумматора и является управляющим кодовым входом синтезатора частот, первый и второй входы сумматора токов соединены соответственно с вторым выходом первого генератора тока и выходом второго генератора тока, а выход сумматора токов подключен к второму входу компаратора, первый и второй выходы регистра памяти являются выходами соответственно первой и второй импульсных последовательностей формирователя двух импульсных последовательностей и кодового сигнала задания фазовых сдвигов выходных сигналов, кодовым выходом которого является выход сумматора кодов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2