Вариант синтезатора частоты с дробным делителем частоты в петле

~1~
Вариант синтезатора частоты с дробным делителем
частоты в петле ФАПЧ
Схема синтезатора частоты представлена на рисунке 1, а её работа поясняется с
помощью диаграмм на рисунке 2. Для компактности, генератор, управляемый
напряжением (ГУН) на рисунке 1 не показан, изображена лишь схема для
получения управляющего напряжения для ГУН.
Рис.1. Схема синтезатора частоты
Делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД)
представлен здесь делителем частоты ДЧ, тактируемым опорной частотой Fr, и
Аккумулятором, тактируемым частотой с выхода ДЧ. Коэффициент деления
частоты в ДДПКД равен N=N0-n, где N0 и n – соответственно целочисленная и
дробная части коэффициента деления. В качестве примера выбрано значение
N=3-1/4. Дробь в коэффициенте деления формируется с помощью Аккумулятора.
Для получения значения n=1/4 ёмкость Q Аккумулятора равна Q=4. При
переполнении Аккумулятора коэффициент N уменьшается на единицу, чем и
обеспечивается его дробное значение.
Блок Вычислителя числителя А дроби N является арифметическим устройством.
Частота его тактирования принципиальной роли не играет и потому на рисунке не
показана. Имея на своих входах коды N0, n и Q, этот блок вычисляет значение А.
В приведенном примере N=11/4, то есть A=11. Числитель А этой дроби
пропорционален опорной частоте Fr, а знаменатель – частоте Fc сигнала,
получаемой в петле ФАПЧ.
~2~
По диаграммам рисунка 2 можно проследить, как образуется сигнал Ec для
управления частотой ГУН в петле ФАПЧ.
Рис.2. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 1
В Регистре задержки цифровой процесс n(t) с выхода Аккумулятора сдвигается по
времени на один такт импульсов Fr и в Сумматоре к нему прибавляется значение
А, в результате чего образуется процесс n(t+Tr)+A. Далее в Мультиплексоре,
управляемом RS-триггером, чередуются значения n(t) и n(t+Tr)+A. RS-триггер
срабатывает от импульсов сигнальной частоты Fc и импульсов с выхода ДЧ,
частота Fr’ которых в среднем равна частоте Fc, Процесс в Мультиплексоре
записывается в Регистр памяти, тактируемый суммой импульсов Fc и Fr’,
получаемой в элементе ИЛИ. С выхода Регистра памяти цифровой процесс
поступает
на
цифроаналоговый
преобразователь
ЦАП,
в
котором
преобразовывается в аналоговый эквивалент. Фильтр ФНЧ на выходе ЦАП
~3~
выделяет постоянную составляющую
включенного в петлю ФАПЧ.
Ec
для
управления
частотой
ГУН,
Для пояснения механизма компенсации помех дробности, внизу рисунка 2
приведена таблица, в которой обозначено: T – длительности (в условных
единицах) импульсов большего и меньшего уровней; А – высота импульсов
большего и меньшего уровней; S – площади импульсов большего и меньшего
уровней; 2S – сумма площадей двух соседних импульсов большего и меньшего
уровней. Из таблицы следует, что площадь 2S на каждом периоде Tc сигнала
остаётся постоянной, что является предпосылкой для эффективного подавления
помех дробности. Строго говоря, последовательность импульсов, представленная
их площадями, не является в точности периодической, но приближается к ней с
увеличением длительности этой последовательности.
В Табл.1 приведены расчёты спектров помех дробности на выходе ЦАП (то есть
на выходе схемы рисунка 1), нормированные относительно ёмкости ЦАП. Это
сделано для коэффициентов N, равных 3-1/16; 3-1/32 и 3-1/64. При этом
количество q разрядов ЦАП равно соответственно 6; 7 и 8. Выбранные
коэффициенты характерны тем, что код на входе Аккумулятора имеет вид 00..01,
и потому первая гармоника помехи дробности, как правило, наибольшая по
уровню относительно других гармоник, всегда находится в полосе ФАПЧ и
фактически по ней можно судить об эффективности работы схемы. В таблице
приведены расчёты как для идеального ЦАП, не имеющего погрешностей, так и
для «реального», под которым подразумевается ЦАП, у которого погрешность в
самом старшем разряде (MSB) составляет величину самого младшего разряда (-1
LSB).
Вычисление спектров при разрядности ЦАП, превышающей число 8,
затруднительно. Однако же из таблицы просматривается простая тенденция
снижения уровня помех на 6 дБ с каждым увеличением разрядности ЦАП на
~4~
единицу. Поэтому, как пример, в таблице показан возможный уровень помех при
использовании 12-разрядного ЦАП.
В петле ФАПЧ, на выходе ГУН, приведенные помехи распределяются по двум
боковым полосам с уровнями, большими на 20lg(pi)=10 дБ, чем это показано в
таблице.
Важной особенностью данного варианта синтезатора является то,
что
отсутствуют аналоговые схемы в цепи компенсации помех дробности, требующие
высокой точности их взаимного сопряжения. Здесь же весь процесс происходит в
цифровом виде, в принципе не имеющем погрешностей. Всё зависит только от
точности стандартного ЦАП.
Следует отметить, что в таком варианте частота сигнала ниже опорной частоты (а
именно в N раз), и в тракте сигнала нет деления частоты. Чтобы подняться к
частоте того же порядка, что и опора, необходимо включить в петлю ФАПЧ
прескалер с коэффициентом порядка N.
При этом, естественно, возникает аналогия с синтезатором на базе ФАПЧ, в
котором в качестве дробного делителя частоты включен DDS. Во-первых, DDS с
такими малыми коэффициентами деления, как например N=3, практически
неработоспособен, уровень помех оказывается едва ли лучше, чем -30 дБн. Вовторых, использование больших значений коэффициента N в DDS приводит к
такому же большому коэффициенту умножения при желании поднять частоту
сигнала до значения порядка опорной частоты. Соответственно умножаются и
шумы, приведенные к выходу фазового детектора, что, естественно ухудшает
соотношение сигнал/шум. В-третьих, ЦАП в рассмотренной схеме работает на
пониженной частоте, в N раз меньше опорной, что способствует повышению его
точности, а следовательно, и снижению помех дробности. В-четвёртых, схема
значительно проще, чем DDS.
В другом варианте использования данной схемы входы Fr и Fc можно поменять
местами, и тогда делитель частоты с коэффициентом N окажется включенным в
петлю ФАПЧ.
В итоге можно сделать вывод, что рассмотренная схема имеет неплохую
перспективу быть воплощённой в интегральную микросхему, чтобы успешно
заменить DDS в некоторых областях его использования.