Активный фильтр нижних частот с переключаемой полосой пропускания для синтезатора с кольцом фазовой автоподстройки частоты Российский патент 2025 года по МПК H03L7/107 

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может использоваться в кольцах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с переключением полосы пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) синтезаторов частот (СЧ) с целью обеспечения высокого быстродействия при сохранении низкого уровня фазовых шумов (ФШ) в спектре выходного сигнала.

Схема СЧ с кольцом ФАПЧ широко известна, например, представленная в книге Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К., Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. - М.: Радио и связь, 1989, стр. 32-40, и включающая опорный генератор, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель частоты с переменным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор и ФНЧ, образующих кольцо фазовой автоподстройки частоты выходного сигнала ГУН.

В этой схеме уровень ФШ в спектре выходного сигнала и быстродействие СЧ тесно связаны с полосой пропускания ФНЧ кольца ФАПЧ. Чем шире полоса пропускания, тем выше быстродействие при недостаточно низком уровне ФШ. Если требуется низкий уровень ФШ в спектре выходного сигнала, то полосу пропускания приходится делать узкой, что неизбежно приводит к уменьшению быстродействия СЧ. Поэтому с целью обеспечения высокого быстродействия при сохранении низкого уровня ФШ в спектре выходного сигнала в составе кольца ФАПЧ возможно применение ФНЧ с переключаемой полосой пропускания.

Например, известен СЧ на основе кольца ФАПЧ с изменяемой полосой пропускания ФНЧ (патент US 5272452, Н03В 3/04), основанный на отключении в начале переходного процесса и подключении в момент достижения синхронизма кольца (захвата) к имеющемуся фильтру нижних частот двух дополнительных RC-цепей. Также известно кольцо ФАПЧ с коммутацией полосы пропускания активного ФНЧ с помощью переключения RC-цепей с разными постоянными времени в цепи обратной связи операционного усилителя (ОУ) (патент US 5537448, Н03В 1/38).

Недостатком представленных выше технических решений является то, что в момент переключения элементов ФНЧ возникает нежелательный паразитный переходной процесс, характеризующийся резким выбросом частоты выходного сигнала СЧ. Этот эффект может привести к выходу кольца ФАПЧ из состояния синхронизма и привести к затягиванию общего времени установления новой частоты выходного сигнала СЧ.

Известен фильтр нижних частот с переключаемыми постоянными времени кольца ФАПЧ согласно патенту EP0664617, H03L 7/183, H03L 7/107, недостаток которого заключается в выбросе по частоте при подключении к ФНЧ дополнительных RC - цепей.

Наиболее близкими аналогами по технической сущности к предлагаемому является активный фильтр нижних частот с коммутацией полосы пропускания кольца ФАПЧ синтезатора частот по патенту RU 2680751, H03L 7/183, H03L 7/107, H03H 11/00, принятый за прототип.

Схема устройства-прототипа (вариант I) представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 - первая RC-цепь с малой постоянной времени для переходного режима кольца ФАПЧ с широкой полосой пропускания (ШП);

2 - вторая RC-цепь с большой постоянной времени для стационарного режима синхронизма кольца ФАПЧ с узкой полосой пропускания (УП);

R1.3, C1.1, C1.2 - резистор, первый и второй конденсаторы первой RC-цепи;

R2.3, C2.1, C2.2 - резистор, первый и второй конденсаторы второй RC-цепи;

Кл1, Кл2 - первый и второй двунаправленные ключи;

ОУ 6 - операционный усилитель;

R7.1, C7.2 - резистор и конденсатор входной корректирующей RC-цепи;

R8.1, C8.2 - резистор и конденсатор выходной корректирующей RC-цепи;

С9 - дополнительный конденсатор.

Устройство-прототип содержит входную корректирующую RC-цепь, состоящую из конденсатора С7.2 и резистора R7.1, один вывод которого соединен с инверсным входом ОУ 6 и соответствующим выводом первой RC-цепи 1, а при нахождении Кл1 в положении 2 (замкнут) - и с соответствующим выводом второй RC-цепи 2. При этом другие выводы RC-цепей 1 и 2 подключены к выходу ОУ 6 и соответствующему выводу выходной корректирующей RC-цепи, состоящей из резистора R8.1 и конденсатора С8.2, к точке соединения которых подключен дополнительный конденсатор С9, другой вывод которого подключен к первому входу второго ключа Кл2, выход которого соединен с общей шиной, а второй вход Кл2 не используется. Кроме того, неинверсный вход ОУ 6 соединен с первым входом первого ключа Кл1 и выводом источника напряжения U. При этом ключи Кл1 и Кл2 имеют входы управляющего сигнала, то есть являются управляемыми ключами. Один из выводов входной корректирующей RC-цепи, состоящей из конденсатора С7.2 и резистора R7.1, является входом фильтра-прототипа. Соответствующий вывод выходной корректирующей RC-цепи, состоящей из резистора R8.1 и конденсатора С8.2, является выходом устройства-прототипа. Другие выводы конденсаторов С7.2 и С8.2 входной и выходной корректирующих RC-цепей соединены с общей шиной. Причем каждая из RC-цепей 1 с широкой полосой пропускания и 2 с узкой полосой пропускания состоят из первого конденсатора С1.1 (С2.1), включенного параллельно последовательно соединенным резистору R1.3 (R2.3) и второму конденсатору С1.2 (С2.2) соответственно.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Для достижения более высокого запаса устойчивости кольца ФАПЧ на вход и выход активного ФНЧ добавлены корректирующие RC-цепи: R7.1-C7.2 и R8.1-C8.2 соответственно. При переключении СЧ с одной частоты на другую в кольце ФАПЧ возникает переходный процесс. В начале переходного процесса в обратной связи ОУ 6 используется RC-цепь 1 (R1.3, C1.1, C1.2), при которой кольцо ФАПЧ имеет широкую полосу пропускания (режим ШП). Во время использования RC-цепи 1 в режиме ШП происходит оперативное изменение синтезируемой частоты к требуемому значению. Одновременно с этим управляющий сигнал через первый вход и выход ключа Кл1 подсоединяет RC-цепь 2 (R2.3, C2.1, C2.2) к источнику опорного напряжения U (смещение на ОУ 6). В этот период времени происходит перезарядка конденсаторов C2.1 и C2.2 в RC-цепи 2.

В конце переходного процесса при переключении СЧ с одной частоты на другую в кольце ФАПЧ устанавливается режим синхронизма (захвата). В момент достижения синхронизма по сигналу управления происходит переключение выхода Кл1 с первого входа ко второму входу, а выхода Кл2 - со второго входа к первому входу, вследствие чего к RC-цепи 1 с малой постоянной времени (с широкой полосой пропускания) подключается RC-цепь 2 с большой постоянной времени (с узкой полосой пропускания) и дополнительный конденсатор С9 - к выходной корректирующей RC-цепи (R8.1, C8.2). Поскольку постоянные времени RC-цепи 1 больше постоянных времени RC-цепи 2 на порядок, то RC-цепь 1 не вносит существенного влияния в работу активного ФНЧ в составе кольца ФАПЧ при подключении RC-цепи 2 с большой постоянной времени. Так как конденсаторы C2.1 и C2.2 в RC-цепи 2 были перезаряжены заранее, то длительность переходных процессов в кольце ФАПЧ будет определяться активным ФНЧ с RC-цепью 1, а уровень фазовых шумов - активным ФНЧ с RC-цепью 2.

Однако устройство-прототип обладает существенным недостатком, который заключается в выбросе по частоте выходного сигнала при переключении RC-цепи 1 и RC-цепи 2 в цепи обратной связи ОУ 6, особенно дополнительного конденсатора С9 в схеме активного ФНЧ. Данный выброс приводит к нежелательному увеличению длительности переходного процесса в режиме узкой полосы и обусловлен необходимостью нежелательного перезаряда конденсаторов C2.1, C2.2 и С9 в момент переключения Кл1 и Кл2 при достижении кольцом ФАПЧ синхронизма с RC-цепью 1 в режиме широкой полосы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение,

заключается в уменьшении времени переходного процесса при переключении СЧ с одной частоты на другую с сохранением низкого уровня фазовых шумов в спектре выходного сигнала использованием переключения постоянных времени активного ФНЧ кольца ФАПЧ с минимизацией времени нежелательного паразитного переходного процесса, характеризующегося резким выбросом частоты выходного сигнала в момент переключения.

Для решения поставленной задачи в активный фильтр нижних частот с переключаемой полосой пропускания для синтезатора с кольцом фазовой автоподстройки частоты, содержащий первую RC-цепь с малой постоянной времени и вторую RC-цепь с большой постоянной времени, каждая из которых состоит из первого конденсатора, включенного параллельно последовательно соединенным резистору и второму конденсатору, при этом первый вывод первой RC-цепи, подключенный к точке соединения первого конденсатора и резистора, соединен со вторым входом первого ключа и инверсным входом операционного усилителя, подсоединенным к выводу резистора входной корректирующей RC-цепи, точка соединения резистора и конденсатора которой является входом устройства, причем другой вывод конденсатора входной RC-цепи соединен с общей шиной; выход первого ключа соединен с первым выводом второй RC-цепи, подключенным к точке соединения первого конденсатора и резистора; второй вывод второй RC-цепи подключен к точке соединения первого и второго конденсаторов; неинверсный вход операционного усилителя подсоединен к источнику напряжения; выход операционного усилителя соединен со вторым выводом первой RC-цепи, подключенным к точке соединения первого и второго конденсаторов и одним выводом резистора выходной корректирующей RC-цепи, другой вывод которого соединен с выводом конденсатора, другой вывод которого соединен с общей шиной, причем точка соединения резистора и конденсатора выходной корректирующей RC-цепи является выходом устройства, а также дополнительный конденсатор и второй ключ, при этом первый и второй ключи имеют управляющие входы, согласно изобретению, введены третий, четвертый, пятый и шестой ключи, имеющие управляющие входы, а также первый и второй повторители напряжения, при этом вход первого повторителя напряжения соединен с неинверсным входом операционного усилителя, выход первого повторителя напряжения соединен с первым входом первого ключа; вход второго повторителя напряжения подключен к точке соединения резистора и конденсатора выходной корректирующей RC-цепи и вторым входом второго ключа, выход второго повторителя напряжения подключен к точке соединения первого входа второго ключа и выходами пятого и шестого ключей; первый вход пятого ключа соединен с третьим выводом второй RC-цепи, подключенным к точке соединения резистора и второго конденсатора и выходом третьего ключа, второй вход которого соединен с третьим выводом первой RC-цепи, подключенным к точке соединения резистора и второго конденсатора; первый вход шестого ключа соединен со вторым выводом второй RC-цепи и с выходом четвертого ключа, второй вход которого соединен со вторым выводом первой RC-цепи.

Схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:

1 - первая RC-цепь с малой постоянной времени для переходного режима кольца ФАПЧ с широкой полосой пропускания (ШП);

2 - вторая RC-цепь с большой постоянной времени для стационарного режима синхронизма кольца ФАПЧ с узкой полосой пропускания (УП);

R1.3, C1.1, C1.2 - резистор, первый и второй конденсаторы первой RC-цепи;

R2.3, C2.1, C2.2 - резистор, первый и второй конденсаторы второй RC-цепи;

Кл1÷Кл6 - с первого по шестой двунаправленные ключи;

ОУ 6 - операционный усилитель;

R7.1, C7.2 - резистор и конденсатор входной корректирующей RC-цепи;

R8.1, C8.2 - резистор и конденсатор выходной корректирующей RC-цепи;

С9 - дополнительный конденсатор;

10, 11 - первый и второй повторители напряжения.

Предлагаемое устройство содержит первую RC-цепь с малой постоянной времени 1 с широкой полосой пропускания и вторую RC-цепь с большой постоянной времени 2 с узкой полосой пропускания.

RC-цепь 1 состоит из первого конденсатора С1.1, включенного параллельно последовательно соединенным резистору R1.3 и второму конденсатору С1.2, причем первый вывод RC-цепи 1 подключен к точке соединения первого конденсатора С1.1 и резистора R1.3 и соединен со вторым входом первого ключа Кл1. Второй вывод RC-цепи 1 подключен к точке соединения первого С1.1 и второго С1.2 конденсаторов и соединен со вторым входом четвертого ключа Кл4. Третий вывод RC-цепи 1 подключен к точке соединения резистора R1.3 и второго конденсатора С1.2 и соединен со вторым входом третьего ключа Кл3.

RC-цепь 2 состоит из первого конденсатора С2.1, включенного параллельно последовательно соединенным резистору R2.3 и второму конденсатору С2.2, причем первый вывод RC-цепи 2 подключен к точке соединения первого конденсатора С2.1 и резистора R2.3 и соединен с выходом первого ключа Кл1. Второй вывод RC-цепи 2 подключен к точке соединения первого С2.1 и второго С2.2 конденсаторов и соединен с выходом четвертого ключа Кл4. Третий вывод RC-цепи 2 подключен к точке соединения резистора R2.3 и второго конденсатора С2.2 и соединен с выходом третьего ключа Кл3 и с первым входом пятого ключа Кл5.

Входная корректирующая RC-цепь состоит из конденсатора С7.2 и резистора R7.1, один вывод которого соединен с инверсным входом ОУ 6 и с первым выводом RC-цепи 1, а при подключении выхода Кл1 ко второму входу - и с первым выводом RC-цепи 2. Второй вывод RC-цепи 1 подключен к выходу ОУ 6, а при подключении выхода Кл4 ко второму входу - и со вторым выводом RC-цепи 2.

Кроме того, выход ОУ 6 соединен с одним выводом выходной корректирующей RC-цепи, состоящей из резистора R8.1 и конденсатора С8.2, к точке соединения которых подключены второй вход второго ключа Кл2, вход второго повторителя напряжения 11 и выход устройства.

Выход второго повторителя напряжения 11 соединен с первым входом второго Кл2 и выходами пятого Кл5 и шестого Кл6 ключей. Вторые входы ключей Кл5 и Кл6 не используются.

При этом все ключи Кл1÷Кл6 имеют входы управляющего сигнала режимами ШП и УП, поступающего от управляющего устройства (на фиг. 2 не показан) и являются управляемыми двунаправленными ключами.

Неинверсный вход ОУ 6 соединен с выводом источника опорного напряжения U (виртуальная земля) и через первый повторитель напряжения 10 - с первым входом первого ключа Кл1. Выход второго ключа Кл2 соединен с одним выводом дополнительного конденсатора С9. Другие выводы конденсаторов С7.2, С8.2 и С9 подключены к общей шине. Вход активного фильтра подключен к точке соединения конденсатора С7.2 и резистора R7.1.

Все перечисленные блоки и элементы предлагаемого устройства известны и выпускаются промышленностью. Повторители напряжения 10 и 11 представляют собой операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом для обеспечения единичного усиления.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При переключении СЧ с одной частоты на другую в кольце ФАПЧ возникает переходный процесс. В начале ПП в цепи обратной связи операционного усилителя 6 используется RC-цепь 1 с малой постоянной времени, при которой кольцо ФАПЧ имеет широкую полосу пропускания, то есть находится в режиме ШП. В это время по сигналу управления используется RC-цепь 1 с малой постоянной времени (с широкой полосой пропускания) и происходит оперативное изменение синтезируемой частоты к требуемому значению. В момент начала ПП первые входы ключей Кл 1, Кл2, Кл5 и Кл6 подключены к их выходам. RC-цепь 2 с большой постоянной времени точкой соединения R2.3 и С2.1 подключена через Кл1 и повторитель напряжения ПН 10 к источнику опорного напряжения U, а точками соединения R2.3 с C2.2 и C2.1 c С2.2 через ключи Кл5 и Кл6 соответственно подключена к выходу повторителя напряжения ПН 11. В течение времени протекания ПП с помощью повторителей напряжения ПН 10 и ПН 11 происходит перезарядка конденсаторов С2.1 и С2.2 RC-цепи 2 и дополнительного конденсатора С9 до уровня напряжения управления ГУН, соответствующему состоянию синхронизма кольца ФАПЧ.

При достижении состояния синхронизма кольца ФАПЧ по сигналу управления происходит переход на режим УП и переключение выходов Кл1, Кл2, Кл3, Кл4, Кл5 и Кл6 на их вторые входы. Вследствие этого к RC-цепи 1 с малой постоянной времени (с широкой полосой пропускания кольца ФАПЧ) подключается RC-цепь 2 с большой постоянной времени (с узкой полосой пропускания кольца ФАПЧ) и конденсатор С9 - к выходной корректирующей RC-цепи (R8.1 и C8.2). Так как конденсаторы С2.1 и С2.2 RC-цепи 2 и дополнительный конденсатор С9 были перезаряжены заранее в течение времени протекания ПП, то значения напряжений на конденсаторах С2.1 и С2.2 в RC-цепи 2 и С9 будут равны значениям напряжений на конденсаторах С1.1 и С1.2 в RC-цепи 1 и С8.2 соответственно. Поэтому переход кольца ФАПЧ в режим УП не вызовет выброс частоты выходного сигнала СЧ и тем самым не повлияет на окончательную длительность переходного процесса. Поскольку постоянные времени RC-цепей 1 и 2 отличаются на порядок, то RC-цепь 1 с малой постоянной времени не вносит существенного влияния в работу активного ФНЧ кольца ФАПЧ синтезатора частот в режиме УП при подключении к ней RC-цепи 2 с большой постоянной времени. Следовательно, обеспечивается высокое быстродействия СЧ при сохранении низкого уровня фазовых шумов в спектре выходного сигнала за счет применения в составе кольца ФАПЧ активного ФНЧ с переключаемой полосой пропускания.

Таким образом происходит оперативное изменение полосы пропускания кольца ФАПЧ за счет переключения управляемыми ключами RC-цепей с разными постоянными времени в цепи обратной связи операционного усилителя активного ФНЧ в сочетании с быстрой перезарядкой конденсаторов RC-цепей и использованием повторителей напряжения.

Технический результат заключается в уменьшении времени переходного процесса при изменении частоты выходного сигнала СЧ с сохранением низкого уровня фазовых шумов в спектре выходного сигнала за счет переключения RC-цепей с различными постоянными времени в схеме активного ФНЧ кольца ФАПЧ с использованием повторителей напряжения для выравнивания значений уровня напряжений на элементах двух переключаемых цепей с минимизацией времени нежелательного паразитного переходного процесса, характеризующегося резким выбросом частоты выходного сигнала в момент переключения.

Изобретение относится к радиотехнике. Техническим результатом является уменьшение времени переходного процесса при изменении частоты выходного сигнала синтезатора частот с сохранением низкого уровня фазовых шумов в спектре выходного сигнала за счет переключения RC-цепей с различными постоянными времени в схеме активного ФНЧ кольца ФАПЧ с использованием повторителей напряжения для выравнивания значений уровня напряжений на элементах двух переключаемых цепей с минимизацией времени нежелательного паразитного переходного процесса, характеризующегося резким выбросом частоты выходного сигнала в момент переключения. Результат достигается путем изменения полосы пропускания кольца ФАПЧ за счет переключения управляемыми ключами RC-цепей с разными постоянными времени в цепи обратной связи операционного усилителя активного ФНЧ в сочетании с быстрой перезарядкой конденсаторов RC-цепей и использованием повторителей напряжения. Для этого в устройство введены третий (Кл3), четвертый (Кл4), пятый (Кл5) и шестой (Кл6) ключи, имеющие управляющие входы, а также первый (10) и второй (11) повторители напряжения. 2 ил.

Активный фильтр нижних частот с переключаемой полосой пропускания для синтезатора с кольцом фазовой автоподстройки частоты, содержащий первую RC-цепь с малой постоянной времени и вторую RC-цепь с большой постоянной времени, каждая из которых состоит из первого конденсатора, включенного параллельно последовательно соединенным резистору и второму конденсатору, при этом первый вывод первой RC-цепи, подключенный к точке соединения первого конденсатора и резистора, соединен со вторым входом первого ключа и инверсным входом операционного усилителя, подсоединенным к выводу резистора входной корректирующей RC-цепи, точка соединения резистора и конденсатора которой является входом устройства, причем другой вывод конденсатора входной RC-цепи соединен с общей шиной; выход первого ключа соединен с первым выводом второй RC-цепи, подключенным к точке соединения первого конденсатора и резистора; второй вывод второй RC-цепи подключен к точке соединения первого и второго конденсаторов; неинверсный вход операционного усилителя подсоединен к источнику напряжения; выход операционного усилителя соединен со вторым выводом первой RC-цепи, подключенным к точке соединения первого и второго конденсаторов и одним выводом резистора выходной корректирующей RC-цепи, другой вывод которого соединен с выводом конденсатора, другой вывод которого соединен с общей шиной, причем точка соединения резистора и конденсатора выходной корректирующей RC-цепи является выходом устройства, а также дополнительный конденсатор и второй ключ, при этом первый и второй ключи имеют управляющие входы, отличающийся тем, что введены третий, четвертый, пятый и шестой ключи, имеющие управляющие входы, а также первый и второй повторители напряжения, при этом вход первого повторителя напряжения соединен с неинверсным входом операционного усилителя, выход первого повторителя напряжения соединен с первым входом первого ключа; вход второго повторителя напряжения подключен к точке соединения резистора и конденсатора выходной корректирующей RC-цепи и вторым входом второго ключа, выход второго повторителя напряжения подключен к точке соединения первого входа второго ключа и выходами пятого и шестого ключей; первый вход пятого ключа соединен с третьим выводом второй RC-цепи, подключенным к точке соединения резистора и второго конденсатора и выходом третьего ключа, второй вход которого соединен с третьим выводом первой RC-цепи, подключенным к точке соединения резистора и второго конденсатора; первый вход шестого ключа соединен со вторым выводом второй RC-цепи и с выходом четвертого ключа, второй вход которого соединен со вторым выводом первой RC-цепи.