Синтезатор с коммутируемой полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки частоты Российский патент 2024 года по МПК H03B5/24 

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в современных радиоприемных и радиопередающих устройствах аппаратуры радиосвязи, где требуются применение устройств формирования высокочастотных колебаний, перестраиваемых по частоте на дискретном множестве высокостабильных частот.

К синтезаторам частот на основе однокольцевой схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) предъявляются весьма жесткие современные требования одновременно к динамическим и спектральным характеристикам, которые в большинстве случаев бывает невозможно выполнить, так как они являются взаимно противоречивыми. Известно, что кольцо ФАПЧ ведет себя как фильтр нижних частот по отношению к шумам сигнала опорного генератора и фильтр верхних частот по отношению к шумам выходного сигнала управляемого генератора. Если необходимо подавить шумы колебания опорной частоты до требуемых значений, надо использовать узкополосное кольцо ФАПЧ. Но в этом случае не будут выполняться требования по быстродействию и компенсации собственных шумов управляемого генератора, так как для этого нужно широкополосное кольцо ФАПЧ.

Техническая область применения колец ФАПЧ с переключаемой полосой пропускания находится, главным образом, в области систем радиосвязи, в которых требуется быстрое переключение частотного канала. Такой синтезатор можно также выгодно использовать в случае скачкообразной перестройки рабочей частоты в устройствах радиосвязи.

Из существующего уровня техники синтеза частот известно устройство кольца ФАПЧ с переключаемыми фильтрами нижних частот (ФНЧ) с широкой и узкой полосами пропускания, описанное в патенте на полезную модель RU 100348, H03L 7/10. Технический результат состоит в улучшении функциональных характеристик синтезатора с кольцом ФАПЧ с возможностью работы в двух режимах: с улучшенным спектральными характеристиками с узкополосным ФНЧ и с улучшенным быстродействием с широкополосным ФНЧ. Недостатком данного технического решения является то, что управление переключением между узкополосным ФНЧ и широкополосным ФНЧ посредством соответствующих коммутаторов не предусматривает быстрого процесса переключения на требуемый режим работы.

Известно устройство кольца ФАПЧ с переключаемыми ФНЧ, описанное в патенте US 4510461, H03L 7/10. Технический результат состоит в том, что частотный диапазон синхронизации расширен до нескольких декад с помощь включения в кольцо ФАПЧ множества переключаемых ФНЧ. Недостатком устройства является тот факт, что для обеспечения широкого диапазона рабочих частот необходима сложная схема и использование детекторов поддиапазона (как выше, так и ниже) для обнаружения, когда конкретный поддиапазон управляемого генератора превышен в любом направлении, чтобы можно было выбрать новое подключение одного из множества переключаемых ФНЧ.

Известен синтезатор с кольцом ФАПЧ, описанный в патенте US 4546329 H03L 7/06, в котором используются ФНЧ с переключением на широкую полосу пропускания в режиме перестройки и узкую полосу пропускания в режиме синхронизма (захвата). Технический результат состоит в том, что ФНЧ обеспечивает широкую полосу пропускания кольца ФАПЧ при перестройке сигнала по частоте и узкую полосу пропускания кольца ФАПЧ в режиме захвата для улучшения чистоты спектра выходного сигнала. Недостаток данного технического решения состоит в том, что при переключении с широкой полосы на узкую полосу пропускания и наоборот, такие синтезаторы обычно имеют переходной процесс управляющего напряжения ГУН, длительность которого растянута во времени из-за подключения различных резисторов к конденсатору ФНЧ.

Синтезаторы частот, используемые в устройствах радиосвязи включают в себя генератор, управляемый напряжением (ГУН), и генератор опорной частоты (ОГ), соединенные вместе в кольцо ФАПЧ. ГУН представляет собой электронный генератор, предназначенный для формирования колебаний с управлением их частоты напряжением, подаваемым на управляющий вход. Частота колебаний на выходе ГУН зависит от величины приложенного постоянного напряжения. Частота выходного сигнала ГУН делится делителем с целочисленным переменным коэффициентом деления или с дробным переменным коэффициентом деления (ДПКД/ДДПКД) до частоты, сравнимой с поделенной опорной частотой ОГ делителем с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД).

Частотно-фазовый детектор с зарядовой накачкой (ЧФД/ЗН) сравнивает фазу сигнала с выхода ДФКД с фазой сигнала с выхода ДПКД/ДДПКД. Разность фаз приводит к появлению сигнала фазовой ошибки на выходе ЧФД/ЗН. Обычно этот сигнал ошибки представляет собой либо положительный, либо отрицательный импульс тока заряда с длительностью, равной разности фаз, причем направление тока заряда зависит от направления ошибки. Преобразование фазовой ошибки в ток заряда осуществляется устройством зарядовой накачки (ЗН), названным так, чтобы указать, что ток заряда закачивается в конденсаторы фильтра нижних частот. ФНЧ фильтрует импульсы тока сигнала ошибки, чтобы получить усредненную фазовую ошибку, которая поступает на управляющий вход ГУН.

Кольцо ФАПЧ представляет собой замкнутую систему с отрицательной обратной связью. Если частота ГУН дрейфует, то сигнал ошибки будет увеличиваться/уменьшаться, управляя частотой ГУН в противоположном направлении, чтобы уменьшить ошибку. Таким образом, выходной сигнал ГУН синхронизируется с сигналом опорной частоты ОГ на другом входе ЧФД/ЗН.

Практические аспекты проектирования касаются количества времени, в течение которого синтезатор частот может переключаться с одной частоты на другую, времени захвата при первом включении и уровня фазовых шумов в выходном сигнале. Если спроектировать синтезатор частот со сравнительно широкой полосой пропускания кольца ФАПЧ, что и требуется для быстродействующего синтезатора, то шумы сигнала ОГ после повышения частоты путем умножения пропорционально коэффициенту деления ДПКД/ДДПКД до выходной частоты, будут определять основные шумы на выходе синтезатора.

Обычно после захвата частоты на выходе ЧФД/ЗН ток имеет вид коротких импульсов тока сигнала ошибки, а на вход ГУН после сглаживания этих импульсов фильтром нижних частот должно поступать постоянное напряжение без пульсаций. В состоянии захвата функцией ФНЧ кольца ФАПЧ, расположенного между выходом ЧФД/ЗН и управляющим входом ГУН, является выделения управляющего напряжения с минимально возможными пульсациями. Любые пульсации на входе ГУН естественным образом вызывает паразитную частотную модуляцию выходного сигнала ГУН. Повышенная фильтрация в ФНЧ заставит ГУН реагировать на изменения медленно, вызывая дрейф и медленное время захвата кольца ФАПЧ, а пониженная фильтрация вызывает увеличение фазового шума и другие проблемы с гармониками частоты сравнения на ЧФД/ЗН. Таким образом, фильтрующая способность ФНЧ (ширина полосы фильтра) оказывает решающее значение на эффективность работы кольца ФАПЧ синтезатора частот.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому изобретению является синтезатор с переключаемой полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки частоты по патенту RU 2812098, H03B 5/24, принятый за прототип.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа, где приняты следующие обозначения:

1 – делитель с целочисленным или дробным переменным коэффициентом деления (ДПКД/ДДПКД);

2 – частотно-фазовый детектор/зарядовая накачка (ЧФД/ЗН);

3 – делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);

4 – опорный генератор (ОГ);

5 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);

6 – контроллер;

7.1, 7.2 – первый и второй повторители напряжения (ПН);

Кл1÷ Кл3 – с первого по третий управляемые ключи;

8 – широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ);

9 – узкополосный фильтр нижних частот (УФНЧ);

С1÷С4 – с первого по четвертый конденсаторы;

R1, R2 – первый и второй резисторы;

10 – схема коммутации (СК).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные делитель с целочисленным или дробным переменным коэффициентом деления 1 и частотно-фазовый детектор/зарядовая накачка 2, а также генератор, управляемый напряжением 5, выход которого является выходом синтезатора и соединен с входом ДПКД/ДДПКД 1. Выход опорного генератора 4 соединен со входом делителя с фиксированным коэффициентом деления 3. Схема коммутации 10 содержит первый 7.1 и второй 7.2 повторители напряжения, причем неинвертирующий вход первого ПН 7.1 соединен с выходом ЧФД/ЗН 2, управляемым выводом ключа Кл3 и первым выводом ШФНЧ 8, подключенным к точке соединения первого С1 и второго С2 конденсаторов. Точка соединения первого конденсатора С1 и первого резистора R1 подключена к общей шине («земле»). Неинвертирующий вход второго ПН 7.2 подключен к точке соединения второго конденсатора С2 и первого резистора R1 и является вторым выводом ШФНЧ 8.

Инвертирующие входы первого 7.1 и второго 7.2 повторителей напряжения соединены с их выходами и объединенными управляемыми выводами первого Кл1 и второго Кл2 ключей соответственно. Вывод первого ключа Кл1 соединен с выводом третьего ключа Кл3, входом ГУН 5 и первым выводом УФНЧ 9, подключенным к точке соединения третьего С3 и четвертого С4 конденсаторов.

Выход контроллера 6 «в захвате» соединен с управляемым выводом ключа Кл3. Выход «перестройка» контроллера 6 соединен с объединенными управляемыми выводами первого Кл1 и второго Кл2 ключей. При этом вывод второго ключа Кл2 подсоединен к точке соединения четвертого конденсатора С4 и второго резистора R2 и является вторым выводом УФНЧ 9. Точка соединения второго резистора R2 и третьего конденсатора С3 подключена к общей шине («земле»).

Кольцо ФАПЧ выполнено с переключаемой широкой или узкой полосой пропускания и состоит из опорного генератора 4, ДФКД 3, ЧФД/ЗН 2, ШФНЧ 8, УФНЧ 9, схемы коммутации 10, состоящей из первого 7.1 и второго 7.2 повторителей напряжения и ключей Кл1÷Кл3, ГУН 5 и цепи обратной связи с выхода ГУН 5 через ДПКД/ДДПКД 1 на вход ЧФД/ЗН.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Сигнал опорной частоты от ОГ 4 делится с помощью ДФКД 3 и поступает на вход ЧФД/ЗН 2, в котором он сравнивается с выходным сигналом ГУН 5, поделенным ДПКД/ДДПКД 1. ЧФД/ЗН 2 обеспечивает ток на основе результата сравнения частоты опорного сигнала и частоты выходного сигнала ГУН 5. Этот ток преобразуется в управляющее напряжение ГУН 5 в пассивных RC-цепях фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9. Функция кольца ФАПЧ заключается в регулировке управляющего напряжения, подаваемого на ГУН, 5 до тех пор, пока частота сигнала обратной связи, деленная ДПКД/ДДПКД 1, не совпадет с частотой опорного сигнала ОГ 4, поделенной ДФКД 3.

Пассивный фильтр ШФНЧ 8 на RC-элементах требуется для того, чтобы кольцо ФАПЧ быстро входило в захват после изменения рабочей частоты. Напряжение на конденсаторах С3 и С4 фильтра УФНЧ 9 устанавливается равным напряжению на конденсаторах С1 и С2 быстродействующего фильтра ШФНЧ 8 с помощью повторителей напряжения 7.1 и 7.2. Таким образом, «медленный фильтр», то есть фильтр УФНЧ 9 с более узкой полосой, ведет себя точно так же, как и «быстрый» (то есть фильтр с широкой полосой) ШФНЧ 8. Кольцо ФАПЧ работает с коротким временем установления захвата. Если установлена новая рабочая частота, то в этот момент можно переключиться на «медленный» фильтр УФНЧ 9. При этом устанавливается настолько узкая полоса пропускания кольца ФАПЧ, что на ГУН 5 может быть подан модулирующий сигнал для осуществления широкополосной частотной модуляции. Из-за высокого импеданса «быстрый» фильтр ШФНЧ 8 больше не влияет на поведение кольца ФАПЧ. Качество выходного сигнала кольца ФАПЧ улучшается за счет низкой граничной частоты среза кольца автоподстройки частоты. При этом можно переключаться между двумя фильтрами ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 в установившемся режиме синхронизма, не нарушая работу кольца ФАПЧ.

ШФНЧ 8 устанавливает фиксированное верхнее значение ширины полосы пропускания кольца ФАПЧ и подключается к выходу ЧФД/ЗН 2. УФНЧ 9 определяет нижнюю полосу пропускания кольца ФАПЧ. Контроллер 6 переключает повторители напряжения 7.1 и 7.2 между двумя фильтрами ШФНЧ 8 и УФНЧ 9.

Первый ПН 7.1 служит для обеспечения быстрой перезарядки конденсаторов С3 и С4 с целью повторения напряжения на конденсаторах С1 и С2 соответственно, а второй ПН 7.2 – для быстрого повторения напряжения в точке соединения С4 и R2 как в точке соединения С2 и R1.

Схема включения ШФНЧ 8 состоит из параллельной цепи: конденсатора С1 и последовательной цепи из конденсатора С2 и резистора R1. Значения этих элементов схемы выбраны для обеспечения высокой частоты среза, например, 300 кГц для этого фильтра нижних частот. Вышеупомянутая параллельная цепь, которая далее упоминается как первая параллельная цепь, подключается между выходом ЧФД/ЗН 2 и общей шиной («землей»).

Схема включения УФНЧ 9 также состоит из параллельной цепи, состоящей из конденсатора С3 и последовательной цепи из конденсатора С4 и резистора R2. Это параллельное соединение упоминается ниже, как вторая параллельная цепь и подключается между входом ГУН 5 и «землей». Значения элементов второй схемы УФНЧ 9 задаются для обеспечения низкой частоты среза, например, 1 кГц этого фильтра нижних частот.

В случае изменения частоты в кольце ФАПЧ, первый Кл1 и второй Кл2 ключи замкнуты, а ключ Кл3 разомкнут. В результате напряжение на конденсаторах С3 и С4 с помощью повторителей напряжения 7.1 и 7.2 устанавливается равным напряжению на конденсаторах С1 и С2 ШФНЧ 8. Каждый повторитель напряжения 7.1 и 7.2 представляет собой операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом.

Таким образом, УФНЧ 9 не оказывает влияния на управляющее напряжение ГУН 5, поэтому эффективна только первая схема ШФНЧ 8 с широкой полосой пропускания, и кольцо ФАПЧ работает с коротким временем установления новой рабочей частоты.

После установления рабочей частоты, например, через 10 микросекунд, ключ Кл3 замыкается, а ключи Кл1 и Кл2 размыкаются. ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 теперь соединены последовательно через ключ Кл3. В результате эффективна низкая частота среза УФНЧ 9 и частота среза кольца ФАПЧ настолько низка, что ГУН 5 можно модулировать по частоте для передачи данных.

Эта схема переключения двух фильтров исключает переходные процессы переключения таким образом, что ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 соединены с цепью управления кольца ФАПЧ. Время, с которым управляющие сигналы контроллера 6 «перестройка» и «в захвате» включаются и выключаются, имеет важное значение для работы кольца ФАПЧ. Это время должно быть тщательно рассчитано, поскольку оно предназначено для быстрой перестройки на желаемую частоту в кратчайшие сроки. Переключение двух фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 является эффективным, поскольку оно обеспечивает быстрое время захвата без ущерба для функционирования кольца ФАПЧ. Использование двух фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 позволяет получить соответствующие характеристики для достижения высоких требований к получению низкого уровня шума в кольце ФАПЧ.

Недостатком устройства-прототипа является то, что в момент переключения двух фильтров с ШФНЧ на УФНЧ возникает нежелательный переходной процесс перезарядки конденсаторов схемой коммутации, приводящий к снижению быстродействия синтезатора при перестройке частоты выходного сигнала.

Задача – повышение быстродействия синтезатора при перестройке частоты выходного сигнала при сохранении фазовой стабильности и уровня фазовых шумов, а также упрощение устройства.

Для решения поставленной задачи в синтезатор с коммутируемой полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащий последовательно соединенные делитель с целочисленным или дробным переменным коэффициентом деления (ДПКД/ДДПКД) и частотно-фазовый детектор с зарядовой накачкой (ЧФД/ЗН), а также генератор, управляемый напряжением (ГУН), выход которого является выходом синтезатора и соединен с входом ДПКД/ДДПКД; выход опорного генератора (ОГ) соединен с входом делителя с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), выход которого соединен со вторым входом ЧФД/ЗН, выход которого соединен с входом схемы коммутации, состоящей из повторителя напряжения, неинвертирующий вход которого является входом схемы коммутации и соединен с управляемым выводом третьего ключа и первым выходом широкополосного фильтра нижних частот (ШФНЧ); инвертирующий вход повторителя напряжения соединен с его выходом и с точкой соединения управляемых выводов первого и второго ключей и выхода контроллера «перестройка»; выход контроллера «в захвате» соединен с управляемым выводом третьего ключа, выводы первого и третьего ключей подсоединены к первому выходу узкополосного фильтра нижних частот (УФНЧ), второй выход которого соединен с выводом второго ключа; при этом широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ) состоит из последовательно соединенных второго конденсатора и первого резистора, параллельно которым включен первый конденсатор, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод является первым выходом ШФНЧ, кроме того, второй выход ШФНЧ соединен с точкой соединения первого резистора и второго конденсатора; узкополосный фильтр нижних частот (УФНЧ) состоит из последовательно соединенных четвертого конденсатора и второго резистора, параллельно которым включен третий конденсатор, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод является первым выходом УФНЧ, причем точка соединения второго резистора и четвертого конденсаторов является вторым выводом УФНЧ, согласно изобретению, в схему коммутации введен четвертый ключ, управляемый вывод которого соединен с управляемым выводом третьего ключа и со вторым выходом ШФНЧ, в котором вывод первого резистора подсоединен к первому выходу ШФНЧ, а вывод второго конденсатора – к общей шине; вывод четвертого ключа соединен со вторым выходом УФНЧ, в котором вывод второго резистора соединен с первым выходом УФНЧ, а вывод четвертого конденсатора – с общей шиной; управляемый вывод третьего ключа соединен с входом ГУН.

На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства, где приняты следующие обозначения:

1–делитель с целочисленным или дробным переменным коэффициентом деления (ДПКД/ДДПКД);

2 – частотно-фазовый детектор/зарядовая накачка (ЧФД/ЗН);

3 – делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);

4 – опорный генератор (ОГ);

5 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);

6 – контроллер;

7 – повторитель напряжения (ПН);

Кл1÷ Кл4 – с первого по четвертый управляемые ключи;

8 – широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ);

9 – узкополосный фильтр нижних частот (УФНЧ);

С1÷С4 – с первого по четвертый конденсаторы;

R1, R2 – первый и второй резисторы;

10 – схема коммутации (СК).

Предлагаемый синтезатор содержит последовательно соединенные делитель с целочисленным или дробным переменным коэффициентом деления 1 и частотно-фазовый детектор/зарядовая накачка 2, а также генератор, управляемый напряжением 5, выход которого является выходом синтезатора и соединен с входом ДПКД/ДДПКД 1. Выход опорного генератора 4 соединен со входом делителя с фиксированным коэффициентом деления 3, выход которого соединен со вторым входом ЧФД/ЗН 2. Схема коммутации 10 содержит повторитель напряжения 7, неинвертирующий вход которого соединен с выходом ЧФД/ЗН 2, точной соединения управляемого вывода третьего ключа Кл3 и входа ГУН 1, а также первым выводом ШФНЧ 8, подключенным к точке соединения первого С1 и первого резистора R1. Точка соединения первого С1 и второго С2 конденсаторов подключена к общей шине («земле»). Точке соединения второго конденсатора С2 и первого резистора R1 подключена к управляемому выводу четвертого ключа Кл4 и является вторым выводом ШФНЧ 8.

Инвертирующий вход повторителя напряжения 7 соединен с его выходом и объединенными управляемыми выводами первого Кл1 и второго Кл2 ключей. Вывод первого ключа Кл1 соединен с выводом третьего ключа Кл3 и первым выводом УФНЧ 9, подключенным к точке соединения третьего С3 конденсатора и второго резистора R2. Точка соединения третьего С3 и четвертого С4 конденсаторов подключена к общей шине («земле»).

Выход контроллера 6 «в захвате» соединен с объединенными управляемыми выводами третьего Кл3 и четвертого Кл4 ключей. Выход «перестройка» контроллера 6 соединен с объединенными управляемыми выводами первого Кл1 и второго Кл2 ключей. При этом выводы второго Кл2 и четвертого Кл4 ключей объединены и соединены со вторым выводом УФНЧ 9, подключенным к точке соединения четвертого конденсатора С4 и второго резистора R2. Точка соединения третьего С3 и четвертого С4 конденсаторов подключена к общей шине («земле»).

Кольцо ФАПЧ выполнено с переключаемой широкой или узкой полосой пропускания и состоит из опорного генератора 4, ДФКД 3, ЧФД/ЗН 2, ШФНЧ 8, УФНЧ 9, схемы коммутации 10, состоящей из повторителя напряжения 7 и ключей Кл1÷Кл4, ГУН 5 и цепи обратной связи с выхода ГУН 5 через ДПКД/ДДПКД 1 на вход ЧФД/ЗН.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сигнал опорной частоты от ОГ 4 делится с помощью ДФКД 3 и поступает на вход ЧФД/ЗН 2, в котором он сравнивается с выходным сигналом ГУН 5, поделенным ДПКД/ДДПКД 1. ЧФД/ЗН 2 обеспечивает ток на основе результата сравнения частоты опорного сигнала и частоты выходного сигнала ГУН 5. Этот ток преобразуется в управляющее напряжение ГУН 5 в пассивных RC-цепях фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9. Функция кольца ФАПЧ заключается в регулировке управляющего напряжения, подаваемого на ГУН 5 до тех пор, пока частота сигнала обратной связи, деленная ДПКД/ДДПКД 1, не совпадет с частотой опорного сигнала ОГ 4, поделенной ДФКД 3.

В предлагаемом устройстве ток на выходе ЧФД/ЗН 2 поддерживается постоянным, а полоса пропускания кольца ФАПЧ изменяется за счет переключения пассивных элементов RC-цепей фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9. В этом случае, не существует компромисс между уровнем фазовых шумов и улучшением времени установления, а переключение RC-элементов легко реализуемо. По умолчанию кольцо ФАПЧ работает с узкой полосой пропускания, оптимизированной для низкого уровня фазового шума (стационарный режим УП). При перестройке СЧ на новую частоту кольцо ФАПЧ временно входит в режим быстрого установления с широкой полосой пропускания (переходной режим ШП). Когда кольцо ФАПЧ находится в состоянии синхронизма и настроено на новую частоту, оно снова возвращается в стационарный режим УП.

Рассмотрим более подробно работу предлагаемого устройства. Хотя изменение полосы пропускания кольца ФАПЧ синтезатора частот путем изменения значений элементов RC-цепей фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 выглядит просто, оно имеет некоторые сложности, связанные с поддержанием стабильной частоты выходного сигнала при переключении между переходным режимом ШП и стационарным режимом УП. Конденсаторы в составе ФНЧ удерживает уровень управляющего напряжения на входе ГУН 5. Если значение емкости конденсаторов увеличить (чтобы уменьшить полосу пропускания) путем переключения конденсаторов или добавления других конденсаторов параллельно используемым, то это действие может изменить значение уровня управляющего напряжения. Следовательно, ГУН 5 будет иметь в выходном сигнале нежелательный выброс частоты после установления кольца ФАПЧ в режиме ШП в начале стационарного режима УП. Для устранения такого нежелательного явления, предлагается следующее решение. Чтобы увеличить емкость конденсатора, параллельно добавляется еще один конденсатор (вспомогательные конденсаторы С3 и С4), где он предварительно заряжается до конечного состояния исходного конденсатора (основные конденсаторы С1 и С2).

Предлагаемый способ перехода в режим ШП в начале каждой перестройки рабочей частоты достигается путем замыкания по сигналу «перестройка» ключей Кл1 и Кл2, которые должны оставаться в этом положении до достижения захвата кольца ФАПЧ при разомкнутых ключах Кл3 и Кл4. Ключи Кл1 и Кл2 предназначены для подключения по команде «перестройка» от контроллера 6 выхода ПН 7, повторяющего уровень управляющего напряжения на входе ГУН только в режиме ШП. Ключ Кл3 после достижения быстрого захвата кольца ФАПЧ подключает по команде «захват» УФНЧ к цепи управления ГУН 5 параллельно с ШФНЧ 8 для работы в стационарном режиме УП. В тот же момент ключ Кл4 подключает конденсатор С4 в параллель к конденсатору С2. В момент включения Кл3 и Кл4 уровень напряжения на С1, С2, С3 и С4 в идеальном случае одинаков и равен управляющему напряжению на входе ГУН 5 в момент достижения захвата по окончанию переходного режима ШП.

Временной интервал режима ШП может быть фиксированным и достаточно длинным, чтобы гарантировать, что кольцо может захватиться в течение этого времени, когда требуется максимальный скачок при перестройке частоты. Это означает, что кольцо ФАПЧ будет иметь одинаковое время установления для различных скачков частоты. В режиме ШП резисторы R1, C1 и C2 создают ШФНЧ 8 с широкой частотой среза, чтобы иметь малое время установления синхронизма кольца ФАПЧ, а вспомогательные конденсаторы C3 и C4 в составе УФНЧ 9 будут заряжены до уровня управляющего напряжения через повторитель напряжения ПН 7. Оба вспомогательных конденсатора C3 и C4 могут заряжаться одним и тем же ПН 7, потому что, когда кольцо ФАПЧ достигает синхронизма в режиме ШП, напряжение на C1 и C2 равно управляющему напряжению. Переходное поведение кольца ФАПЧ при перестройке по частоте с предлагаемым переключением элементов ФНЧ по сравнению с традиционным кольцом отличается тем, что кольцо остается в режиме ШП в течение некоторого времени, чтобы обеспечить захват кольца в этом режиме с последующим размыканием Кл1 и Кл2 и замыканием ключей Кл3 и Кл4 по команде «в захвате». После изменения режима работы кольца ФАПЧ в стационарном режиме УП требуется некоторое дополнительное время для окончательной автоподстройки частоты выходного сигнала. При этом время установления переходного процесса предлагаемого кольца ФАПЧ не зависит от величины перестройки частоты и равно времени переходного режима ШП плюс дополнительное время установления в режиме УП.

Когда кольцо ФАПЧ работает в переходном режиме ШП, Кл1 и Кл2 замкнуты, а Кл3 и Кл4 разомкнуты. Поскольку и С3, и С4 заряжаются от одного повторителя ПН 7, то при переходе кольца в стационарный режим УП, если они все еще соединены друг с другом, резистор R2 может быть закорочен и вызвать нестабильность кольца. Следовательно, время включения и выключения пар ключей Кл1, Кл2 и Кл3, Кл4 по сигналам от контроллера 6 «перестройка» и «в захвате» не должны перекрываться.

В переходном режиме ШП выход ПН 7 подключается к конденсаторам С3 и С4 аналоговыми ключами. Сопротивление ключей во включенном состоянии должно быть небольшим, чтобы предотвратить значительную постоянную времени при зарядке и разрядке конденсаторов С3 и С4. С другой стороны, сопротивление переключателей в открытом состоянии должно быть большим, чтобы отделить конденсаторы С3 и С4 и резистор R2 от ШФНЧ 8 в переходном режиме ШП.

Повторитель напряжения ПН 7 используется для установки напряжения на конденсаторах С3 и С4, равным управляющему напряжению на входе ГУН 5 в состоянии захвата (синхронизма). Любая разница между напряжением на конденсаторах С3 и С4 и управляющим напряжением на входе ГУН 5 в состоянии захвата (синхронизма) в конце режима ШП преобразуется в ошибку частоты в установившемся режиме УП и может привести к значительному увеличению времени окончательного установления кольца. В этом случае кольцу ФАПЧ требуется больше времени для окончательной установки в стационарном режиме.

Кроме того, важны выходной ток и скорость нарастания напряжения на выходе ПН 7. Так как повторитель напряжения ПН 7 должен иметь возможность перезаряжать конденсаторы С3 и С4 в режиме ШП, то входной импеданс ПН 7 должен быть достаточно мал, чтобы не нагружать ШФНЧ 8 в режиме ШП, поскольку конденсаторы С1 и С2 имеют небольшие значения емкостей. Таким образом, в идеале не будет скачка напряжения на конденсаторах С3 и С4 в режиме УП.

Следовательно, пассивный фильтр ШФНЧ 8 на RC-элементах требуется для того, чтобы кольцо ФАПЧ быстро входило в захват для изменения рабочей частоты. Напряжение на конденсаторах С3 и С4 фильтра УФНЧ 9 устанавливается равным напряжению на конденсаторах С1 и С2 быстродействующего фильтра ШФНЧ 8 с помощью повторителя напряжения 7. Таким образом, «медленный фильтр», то есть фильтр УФНЧ 9 с более узкой полосой, ведет себя точно так же, как и «быстрый» (то есть фильтр с широкой полосой) ШФНЧ 8. Кольцо ФАПЧ работает с коротким временем установления захвата. Если установлена новая рабочая частота, то в этот момент можно переключиться на «медленный» фильтр УФНЧ 9. При этом устанавливается настолько узкая полоса пропускания кольца ФАПЧ, что на ГУН 5 может быть подан модулирующий сигнал для осуществления широкополосной частотной модуляции. Из-за высокого импеданса «быстрый» фильтр ШФНЧ 8 больше не влияет на поведение кольца ФАПЧ. Качество выходного сигнала кольца ФАПЧ улучшается за счет низкой граничной частоты среза кольца автоподстройки частоты. При этом можно переключаться между двумя фильтрами ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 в установившемся режиме синхронизма, не нарушая работу кольца ФАПЧ.

ШФНЧ 8 устанавливает фиксированное верхнее значение ширины полосы пропускания кольца ФАПЧ и подключается к выходу ЧФД/ЗН 2. УФНЧ 9 определяет нижнюю полосу пропускания кольца ФАПЧ. Контроллер 6 переключает повторитель напряжения 7 между двумя фильтрами ШФНЧ 8 и УФНЧ 9. ПН 7 служит для обеспечения быстрой перезарядки конденсаторов С3 и С4 с целью повторения напряжения на конденсаторах С1 и С2 соответственно.

Схема включения ШФНЧ 8 состоит из параллельной цепи: конденсатора С1 и последовательной цепи из конденсатора С2 и резистора R1. Значения этих элементов схемы выбраны для обеспечения высокой частоты среза, например, 300 кГц для этого фильтра нижних частот. Вышеупомянутая параллельная цепь, которая далее упоминается как первая параллельная цепь, подключается между выходом ЧФД/ЗН 2 и общей шиной («землей»).

Схема включения УФНЧ 9 также состоит из параллельной цепи, состоящей из конденсатора С3 и последовательной цепи из конденсатора С4 и резистора R2. Это параллельное соединение упоминается ниже, как вторая параллельная цепь и подключается между входом ГУН 5 и «землей». Значения элементов второй схемы УФНЧ 9 задаются для обеспечения низкой частоты среза, например, 1 кГц этого фильтра нижних частот.

В случае изменения частоты в кольце ФАПЧ, первый Кл1 и второй Кл2 ключи замкнуты, а ключ Кл3 разомкнут. В результате напряжение на конденсаторах С3 и С4 с помощью повторителя напряжения 7 устанавливается равным напряжению на конденсаторах С1 и С2 ШФНЧ 8. Повторитель напряжения 7 представляет собой операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом.

Таким образом, УФНЧ 9 не оказывает влияния на управляющее напряжение ГУН 5, поэтому при перестройке частоты эффективна только первая схема ШФНЧ 8 с широкой полосой пропускания, и кольцо ФАПЧ работает с коротким временем установления новой рабочей частоты.

После установления рабочей частоты, например, через 10 микросекунд, ключи Кл3 и Кл4 замыкаются, а ключи Кл1 и Кл2 размыкаются. ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 теперь соединены параллельно через ключ Кл3. В результате эффективна низкая частота среза УФНЧ 9 и частота среза кольца ФАПЧ настолько низка, что ГУН 5 можно модулировать по частоте для передачи данных.

Реализация кольца ФАПЧ с использованием описанных выше операций будет состоять из двух этапов. Во-первых, кольцо должно проектироваться для стационарного режима УП с учетом требуемого уровня фазового шума, побочных спектральных составляющих и устойчивости. Во-вторых, достаточная ширина полосы пропускания кольца ФАПЧ должна быть рассчитана на основе желаемого времени установления новой рабочей частоты, и тогда кольцо может быть спроектировано для переходного режима ШП. Устойчивость кольца в режиме ШП менее важна, чем в стационарном режиме УП, поскольку кольцо временно остается в режиме ШП.

Эта схема переключения двух фильтров исключает переходные процессы переключения таким образом, что ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 соединены с цепью управления кольца ФАПЧ. Время, с которым управляющие сигналы контроллера 6 «перестройка» и «в захвате» включаются и выключаются, имеет важное значение для работы кольца ФАПЧ. Это время должно быть тщательно рассчитано, поскольку оно предназначено для быстрой перестройки на желаемую частоту в кратчайшие сроки. Переключение двух фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 является эффективным, поскольку оно обеспечивает быстрое время захвата без ущерба для функционирования кольца ФАПЧ. Использование двух фильтров ШФНЧ 8 и УФНЧ 9 позволяет получить соответствующие характеристики для достижения высоких требований к получению низкого уровня шума в кольце ФАПЧ.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать синтезатор на основе системы фазовой автоподстройки частоты с переключаемой полосой пропускания кольца ФАПЧ. В результате могут быть реализованы простые синтезаторы с высоким быстродействием и качеством выходного сигнала. Представлен новый быстродействующий с малым уровнем фазового шума синтезатор с коммутируемой полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки частоты путем переключения пассивных элементов фильтра нижних частот в цепи управления генератора, управляемого напряжением. Это позволяет уменьшить время установления переходного процесса синтезатора при смене рабочих частот без ухудшения фазового шума. Описанные операции представляют собой альтернативный способ для увеличения полосы пропускания во время перестройки по частоте путем переключения конденсаторов и резисторов фильтра в цепи управления кольца. При этом другие функциональные блоки кольца, такие как ЧФД/ЗН 2, делитель частоты 3 и ГУН 5, остаются с неизменными параметрами. Это дает возможность идеального решения для проектирования синтезаторов частот с высокими эксплуатационными характеристиками.

Технический результат – повышение быстродействия синтезатора при перестройке частоты выходного сигнала при сохранении фазовой стабильности и уровня фазовых шумов, а также упрощение устройства.

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в современных радиоприемных и радиопередающих устройствах аппаратуры радиосвязи. Технический результат – повышение быстродействия синтезатора при перестройке частоты выходного сигнала при сохранении фазовой стабильности, а также снижение энергопотребления и упрощение устройства. Такой результат обеспечивается за счет того, что в схему коммутации (10) синтезатора введен четвертый ключ (Кл4), управляемый вывод которого соединен с управляемым выводом третьего ключа (Кл3) и со вторым выходом широкополосного фильтра нижних частот (ШФНЧ) (8), в котором вывод первого резистора (R1) подсоединен к первому выходу ШФНЧ, а вывод второго конденсатора (С1) – к общей шине. Кроме того, вывод четвертого ключа соединен со вторым выходом узкополосного фильтра нижних частот (УФНЧ), в котором вывод второго резистора (R2) соединен с первым выходом УФНЧ, а вывод четвертого конденсатора (С4) – с общей шиной; управляемый вывод третьего ключа (Кл3) соединен с входом генератора, управляемого напряжением (5). 2 ил.

Синтезатор с коммутируемой полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащий последовательно соединенные делитель с целочисленным или дробным переменным коэффициентом деления (ДПКД/ДДПКД) и частотно-фазовый детектор с зарядовой накачкой (ЧФД/ЗН), а также генератор, управляемый напряжением (ГУН), выход которого является выходом синтезатора и соединен с входом ДПКД/ДДПКД; выход опорного генератора (ОГ) соединен с входом делителя с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), выход которого соединен со вторым входом ЧФД/ЗН, выход которого соединен с входом схемы коммутации, состоящей из повторителя напряжения, неинвертирующий вход которого является входом схемы коммутации и соединен с управляемым выводом третьего ключа и первым выходом широкополосного фильтра нижних частот (ШФНЧ); инвертирующий вход повторителя напряжения соединен с его выходом и с точкой соединения управляемых выводов первого и второго ключей и выхода контроллера «перестройка»; выход контроллера «в захвате» соединен с управляемым выводом третьего ключа, выводы первого и третьего ключей подсоединены к первому выходу узкополосного фильтра нижних частот (УФНЧ), второй выход которого соединен с выводом второго ключа; при этом широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ) состоит из последовательно соединенных второго конденсатора и первого резистора, параллельно которым включен первый конденсатор, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод является первым выходом ШФНЧ, кроме того, второй выход ШФНЧ соединен с точкой соединения первого резистора и второго конденсатора; узкополосный фильтр нижних частот (УФНЧ) состоит из последовательно соединенных четвертого конденсатора и второго резистора, параллельно которым включен третий конденсатор, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод является первым выходом УФНЧ, причем точка соединения второго резистора и четвертого конденсаторов является вторым выводом УФНЧ, отличающийся тем, что в схему коммутации введен четвертый ключ, управляемый вывод которого соединен с управляемым выводом третьего ключа и со вторым выходом ШФНЧ, в котором вывод первого резистора подсоединен к первому выходу ШФНЧ, а вывод второго конденсатора – к общей шине; вывод четвертого ключа соединен со вторым выходом УФНЧ, в котором вывод второго резистора соединен с первым выходом УФНЧ, а вывод четвертого конденсатора – с общей шиной; управляемый вывод третьего ключа соединен с входом ГУН.