Синтез частот. 
Основы радиоэлектроники

В конкретной радиосистеме для работы выделяется полоса частот, в пределах которой могут генерироваться высокостабильные колебания и осуществляется дискретная перестройка частоты с заданным шагом. Для реализации такой возможности применяются синтезаторы частот. Итак, синтезатор частот — это устройство, генерирующее электромагнитные колебания высокой стабильности в заданном диапазоне частот /_min /_тах с определенным дискретом перестройки А/.

Синтезаторы частот порядка сотен мегагерц и более строятся на базе автогенераторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ).

Фазовая автоподстройка частоты автогенераторов

Функциональная схема системы ФАПЧ автогенераторов изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Функциональная схема системы ФАПЧ.

Она содержит ГУН, генерирующий колебания в заданном диапазоне частот /_min /_тах, делитель частоты на N, дискриминатор, опорный кварцевый генератор, фильтр нижних частот (ФНЧ). Система ФАПЧ дает возможность стабилизации высокой частоты выходных колебаний напряжения ГУНа низкочастотными колебаниями напряжения опорного кварцевого автогенератора. Механизм работы системы ФАПЧ автогенераторов следующий.

Частота колебаний напряжения ГУНа /_гун делится в N раз и становится приблизительно равной эталонной частоте опорного генератора /_э. В дискриминаторе происходит сравнение двух частот: ^,^^гу|1 и f. Если они не равны, на выходе дискриминатора появляется напряжение, которое после фильтрации подводится к ГУ Ну, подстраивая его частоту к частоте /_э N.

В качестве дискриминатора может быть применен частотный детектор (ЧД), напряжение на выходе которого пропорционально разности частот (f — ^J гун). В этом случае имеем систему частотной автоподстройки (ЧАП). Если дискриминатором является фазовый детектор, то реализуется система фазовой автоподстройки частоты, которая позволяет получить выходные колебания с меньшим уровнем фазового шума.

В современных синтезаторах частот, как правило, применяется частотно-фазовый детектор (ЧФД). В начальные моменты времени работы системы, когда частота /_гун значительно отличается от /_э N, дискриминатор реагирует на разность частот, т. е. выступает в качестве частотного детектора. В результате частота /_гуп подтягивается к частоте /_э N и далее дискриминатор реагирует на разность мгновенных фаз колебаний напряжений, поступающих на оба его входа, т. е. работает как фазовый детектор.

Рассмотрим режимы работы системы ФАПЧ. Система ФАПЧ автогенераторов может находиться в двух состояниях:

• 1) синхронном режиме, когда колебания напряжения ГУНа «захвачены» колебаниями напряжения эталонного генератора и частота /_гун точно равна частоте /_э N;
• 2) переходном (асинхронном) режиме, в течение которого осуществляется подстройка или перестройка частоты ГУНа.

В синхронном режиме работы частота выходных колебаний ГУ Па отслеживает изменения частоты эталонного генератора /_э. Так, если частота /_э изменилась на некоторую величину, А /_э, то частота /_гун меняется на А/_гун = NAf_a. Поскольку выполняется равенство.

то.

т.е. относительная нестабильность частоты ГУНа становится равной относительной нестабильности эталонной частоты.

Помимо увеличения стабильности частоты выходных колебаний автогенератора, система ФАПЧ способна уменьшить уровень его фазового шума. Существенную роль при этом играет фильтр нижних частот.

При построении системы ФАПЧ автогенератора возникает ряд проблем, которые необходимо решать в процессе проектирования. Во-первых, в петле ФАПЧ, как и любой системе с обратной связью, возможно возбуждение паразитных колебаний, т. е. система может оказаться неустойчивой. Таким образом, необходимо в первую очередь обеспечить устойчивость системы.

Во-вторых, напряжение на выходе дискриминатора может иметь, кроме полезной составляющей, высокочастотные компоненты, которые, попав на варикап ГУНа, вызывают частотную модуляцию основных колебаний. В результате в выходном спектре появляются нежелательные боковые спектральные линии, так называемые шпоры, максимальный уровень которых должен быть строго ограничен. В борьбе со «шпорами» важное значение имеет оптимальное построение фильтра.

Для того чтобы спроектировать устойчивую систему ФАПЧ с оптимальными характеристиками, следует изучить работу системы более подробно.