СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ Российский патент 1995 года по МПК H03B19/00 

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, содержащемуся в памяти накапливающего сумматора.

Оба эти условия в известном устройстве выполняются не строго. 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 принимаемом за прототип. Это устройство содержит синтезатор частот, включающий последовательно соединенные опорный генератор, поглотитель импульсов и счетчик с переменным коэффициентом пересчета, соединенные последовательно накапливающий сумматор, первый генератор пилообразного напряжения и компаратор, выход которого является выходом устройства, а также второй генератор пилообразного напряжения. Каждый генератор пилообразного напряжения 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 Δτ_i складывается из двух ошибок и равна
δ = ± 2^-mТ_о, (1) где Т_о= - 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, блок вычитания импульсов и счетчик с переменным коэффициентом пересчета, последовательно соединенные накапливающий сумматор, 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 первые выводы первой и второй цепей подключены к общей шине, вторые выводы первой и второй цепей соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого является выходом синтезатора частот, первый и второй выходы счетчика с переменным коэффициентом пересчета соединены с управляющими входами соответственно первого и второго управляемых ключей, выход переполнения накопительного сумматора соединен с другим входом блока вычитания импульсов, а вход накопительного сумматора подключен к выходу компаратора, введен сумматор токов, выход которого подключен к второму входу компаратора, при этом второй выход первого генератора тока и выход второго генератора тока соединены с соответствующими входами сумматора токов, вход управления коэффициентом пересчета счетчика с переменным коэффициентом пересчета и кодовый вход накопительного сумматора соединены с кодовым входом второго генератора тока и является кодовым входом управления выходной частотой синтезатора частот.

Суть изобретения заключается в том, что, как и в прототипе, время задержки выходных импульсов определяется моментом равенства напряжений на двух конденсаторах, соединенных с двумя входами компаратора, причем заряд конденсаторов начинается со сдвигом во времени на период Т_оопорного 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_i для 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 Δτ_i определится формулой
δ_i = ± Δτ_i ˙ 2^-(m+1), (2) т.е. в предложенном устройстве ошибка, во-первых, пропоpциональна Δτ_i, и, во-вторых, даже при максимальном Δτ_imах=Т_о в два раза меньше, 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, блок 2 вычитания импульсов, счетчик 3 с переменным коэффициентом пересчета, цепь 4 и компаратор 5. В синтезатор частот также входят последовательно соединенные накапливающий сумматор 6, генератор 7 тока и сумматор 8 токов, а также генератор 9 тока и цепь 10, подключенную выводом к первому выводу цепи 4.

Блок 2 вычитания импульсов подключен вторым входом к выходу накапливающего сумматора 6. Счетчик 3 с переменным коэффициентом пересчета подключен вторым выходом к управляющему входу цепи 10. Выход компаратора является выходом синтезатора частот и подключен к входу накапливающего сумматора 6.

Выход генератора 7 тока подключен к первому входу компаратора 5. Второй вход компаратора 5 соединен с выходом сумматора 8 токов и вторым выводом цепи 10.

Генератор 9 тока соединен выходом с вторым входом сумматора 8 токов, а кодовым входом с кодовым входом накапливающего сумматора 6 и входом управления счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета, который является кодовым входом управления выходной частотой синтезатора частот.

Цепи 4 и 10 соответственно выполнены из параллельно соединенных управляемого ключа 11 и конденсатор 12 и управляемого ключа 13 и конденсатора 14 и подсоединены первым выводом к шине 15.

В качестве опорного генератора 1 может быть использован стандартный кварцевый генератор типа "Гиацинт". Компаратор 5 может быть выполнен на ИМС 597 СА1 или 597 СА2. Ключи 11 и 13 выполняются обычно на быстродействующих транзисторах.

Сумматор 8 токов может быть выполнен, например, в виде двух каскадов усиления, собранных по схеме с общей базой и работающих на общую нагрузку.

Генераторы 7 и 9 тока предпочтительнее выполнить на базе ЦАП, например 1118 ПА1.

Для создания двух идентичных выходов у генератора 7 тока можно использовать схему "токового зеркала" (фиг.2). Изображенный на фиг.2 генератор 7 тока состоит из ЦАП, транзисторов Т1-Т4 и резисторов R1-R4. Вход ЦАП является входом генератора 7 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. Выходы коллекторов транзисторов Т1 и Т4 являются соответственно первым и вторым выходами генератора 7 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(I_y). 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. В исходном состоянии блок 2 вычитания импульсов пропускает все импульсы на вход счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета, который выделяет на своем основном выходе каждый i-й входной импульс, а на дополнительном выходе - каждый импульс, предшествующий i-му. Импульсы с выхода компаратора 5 поступают на вход накапливающего сумматора 6, увеличивая с каждым тактом число, записанное в памяти накапливающего сумматора 6 на величину В_i<Q.

Емкость накапливающего сумматора 6 выбрана равной Q. При переполнении на выходе переполнения накапливающего сумматора 6 формируется сигнал, по которому блок 2 вычитания импульсов не пропускает один импульс на вход счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета. Суммарный коэффициент пересчета становится равным [N] + 1.

Таким образом на основном и дополнительном выходах счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета создаются квазипериодические последовательности импульсов заданной частоты, сдвинутые один относительно другого на период опорного колебания Т_о= . Эти последовательности импульсов оптимальны, т.е. временное положение импульсов отличается от идеально равномерного на величину, не превышающую ±0,5Т_о. Код А_i на выходе накапливающего сумматора 6 непрерывно меняется. В каждый конкретный момент t_i он равен временной ошибке положения i-го импульса, который будет выделен на первом выходе счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета. Код А_i поступает на управляющий вход генератора 7 тока и вызывает ток
I_i=К₁А_i, (3) где К₁ - коэффициент пропорциональности.

Генератор 7 тока имеет два равноценных выхода, на каждом из которых ток равен 0,5 I_i. Ток I_i1=0,5I_i с первого выхода поступает в цепь 4 на параллельное соединение ключа 11 с калиброванной емкостью конденсатора 12 и первый вход компаратора 5. Ток с второго выхода генератора 7 тока поступает на сумматор 8 токов, на второй вход которого поступает ток I_fс выхода генератора 9 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 8 токов образуется ток
I_i2= 0,5I_i+I_f, поступающий в цепь 10 на параллельное соединение ключа 13, второй калиброванной емкости конденсатора 14 и второго входа компаратора 5.

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 первом выходе счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета оба ключа 11 и 13 замкнуты и, следовательно, обе калиброванные емкости конденсаторов 12 и 14 разряжены.

На первом выходе накапливающего сумматора 6 устанавливается код А_i, пропорциональный времени Δτ_i, на которое надо задержать следующий i-й импульс, чтобы добиться на выходе идеальной равномерной последовательности.

В соответствии с кодом А_i в генераторе 7 тока устанавливается ток I_i. В момент начала i-го импульса на первом выходе счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета ключ 11 размыкается и начинается заряд калиброванной емкости конденсатора 12 током
I_i1=0,5 К₁А_i. Напряжение на первом входе компаратора 5 растет по закону
U₁(t)= t , где с - емкость конденсатора 12. Через время Т_о возникает импульс на втором выходе счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета, который размыкает ключ 13, что позволяет начать заряд калиброванной емкости конденсатора 14 током
I_i2= 0,5К₁А_i+К₂В_f. Напряжение на втором входе компаратора 5 растет по закону
U₂(t)= (t-Т_о). Импульс на выходе компаратора 5 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=Т_о1 + . Отсюда задержка, реализованная идеальной схемой
Δτ_i =t_i-Т_о=Т Полученное запаздывание при правильном выборе коэффициентов пропорциональности (К₁=2К₂) точно равно ошибке временного положения i-го импульса на первом выходе счетчика 3 с переменным коэффициентом пересчета. Следовательно, на выходе компаратора 5 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 7 тока вместо равенства (3) описывается выражением
I_i= К_iА_i[1 ± I_maх2^-(m+1)] , где m - число разрядов ЦАП в генераторе 7 тока. В результате напряжения на первом и втором входах компаратора 5 описываются выражениями
U₁(t)= К₁А_i[1 ± 2^-(m+1)]
U₂(t)= {0,5К₁А_i[1 ± 2^-(m+1)]+К₂В_f} Решая полученную систему уравнений, находим момент ti , соответствующий появлению импульса на выходе компаратора 5
t_i= Т_о{ 1+ [1 ± 2^-(m+1)]}. Следовательно, реальная схема реализует Δt_i= Δτ_i [1 ± 2^-(m+1)] и временное отклонение импульсов на первом выходе счетчика 3 компенсируется на выходе устройства с ошибкой
δ_i = ± Δτ_i2^-(m+1). Максимальная величина остаточной ошибки в два раза меньше чем в ранее известных устройствах (Т_о ˙ 2^-m), кроме того она не постоянна, а снижается с уменьшением величины Δτ_i. Внедрение предлагаемого устройства позволяет сохранить все преимущества прототипа и дополнительно уменьшить уровень побочных спектральных составляющих по меньшей мере на 12 дБ.

Использование: радиоприемные, радиопередающие устройства, измерительная техника. Сущность изобретения: синтезатор частот содержит опорный генератор, блок вычитания импульсов, счетчик с переменным коэффициентом пересчета, две цепи, компаратор, накапливающий сумматор, генераторы тока, сумматор токов. Изобретение позволяет повысить спектральную чистоту выходных сигналов. 2 ил.

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, блок вычитания импульсов и счетчик с переменным коэффициентом пересчета, последовательно соединенные накапливающий сумматор, 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 первые выводы первой и второй цепей подключены к общей шине, вторые выводы первой и второй цепей соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого является выходом синтезатора частот, первый и второй выходы счетчика с переменным коэффициентом пересчета соединены с управляющими входами соответственно первого и второго управляемых ключей, выход переполнения накопительного сумматора соединен с другим входом блока вычитания импульсов, а вход накопительного сумматора подключен к выходу компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения спектральной чистоты выходных сигналов, введен сумматор токов, выход которого подключен к второму входу компаратора, при этом второй выход первого генератора тока и выход второго генератора тока соединены с соответствующими входами сумматора токов, вход управления коэффициентом пересчета счетчика с переменным коэффициентом пересчета и кодовый вход накопительного сумматора соединены с кодовым входом второго генератора тока и является кодовым входом управления выходной частотой синтезатора частот.