Синтезатор стабильных электрических колебаний в широком диапазоне частот

(51)03 7/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СИНТЕЗАТОР СТАБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(72) Авторы Ильинков Валерий Андреевич Романов Вячеслав Евгеньевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(57) Синтезатор стабильных электрических колебаний в широком диапазоне частот, содержащий перестраиваемый генератор, генератор опорного колебания, первый и второй делители частоты, блок управления и последовательно соединенные фазовый детектор,фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, управляющий вход и выход первого делителя частоты соединены соответственно с первым выходом блока управления и первым входом фазового детектора, выход усилителя постоянного тока подключен к управляющему входу перестраиваемого генератора, а управляющий вход второго делителя частоты соединен со вторым выходом блока управления, отличающийся тем, что дополнительно содержит третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой делители частоты, при 8265 1 2006.08.30 этом счетный вход первого делителя частоты соединен со счетным входом второго делителя частоты, выход которого соединен с первым выходом синтезатора, счетный, управляющий входы и выход третьего делителя частоты соединены соответственно с выходом перестраиваемого генератора, третьим выходом блока управления и счетным входом четвертого делителя частоты, подключенного управляющим входом к четвертому выходу блока управления, а выходом - к счетному входу первого делителя частоты, управляющий, счетный входы и выход пятого делителя частоты соединены с пятым выходом блока управления, выходом второго делителя частоты и вторым выходом синтезатора соответственно, счетный, управляющий входы и выход шестого делителя частоты подключены к выходу третьего делителя частоты, шестому выходу блока управления и третьему выходу синтезатора соответственно, управляющий, счетный входы и выход седьмого делителя частоты соединены с седьмым выходом блока управления, выходом шестого делителя частоты и четвертым выходом синтезатора соответственно, а выход генератора опорного колебания подключен ко второму входу фазового детектора. Предлагаемое изобретение относится к радиотехникеи может быть использовано при построении синтезаторов электрических колебаний произвольных (некратных) частот. Важной для радиоэлектроники является проблема генерирования высокостабильных электрических колебаний. Она решается двумя основными способами 1 прямым частотным синтезом с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). При прямом частотном синтезе колебание с требуемой частотой 1 образуется посредством операций деления и (или) умножения частот нескольких (одного) базовых стабильных колебаний с последующим выделением соответствующего комбинационного продукта. Недостатками устройств прямого частотного синтеза являются сложность аппаратурной реализации, вытекающая в основном из сложности реализации умножителей и смесителей частоты принципиальная невозможность получения колебания с изменяемым в процессе работы значением частоты. По указанным выше причинам на практике в основном применяются синтезаторы стабильных электрических колебаний на основе системы ФАПЧ 2. Синтезатор на основе системы ФАПЧ обладает двумя существенными недостатками сложность аппаратурной реализации перестраиваемого генератора ограниченные функциональные возможности. Прежде чем рассматривать указанные существенные недостатки, отметим следующее. В случае, если рабочий диапазонсинтезатора является широким, его разбивают наподдиапазонов где/-1 -1 - нижняя (верхняя) граничная частота -го поддиапазона 1,. При декадном разбиении на поддиапазоны -10, при октавном - А 2. Например, при декадном разбиении диапазон частот 0,01108 Гц состоит из 10 поддиапазонов. Для упрощения синтезатора целесообразно, чтобы на всехподдиапазонах перестраиваемый генератор работал (перестраивался) в одном и том же рабочем диапазоне,соответствующем верхнему (-ому) поддиапазону. При таком построении переход синтезатора из одного поддиапазона в другой осуществляется ступенчатым изменением коэффициентадополнительного делителя частоты, формирующего выходное колебание. Причем в пределах поддиапазона значениеостается неизменным. Так, переход в соседний, более низкочастотный (высокочастотный) поддиапазон соответствует увеличению 8265 1 2006.08.30 Основной делитель частоты, включенный в петлю ФАПЧ и формирующий колебание на втором входе фазового детектора, имеет переменный коэффициентделения, обычно изменяющийся с шагом от минимальногодо максимального МАВ значения независимо от поддиапазона, что обеспечивает внутри -го поддиапазона неизменный шагсетки частот(2)-1/. Шагимеет максимальное значение 0 (0 - частота колебаний опорного генератора) на верхнем поддиапазоне и уменьшается (пропорционально увеличению ) при переходе в более низкочастотный поддиапазон. Например, в случае 0,01 Гц,108 Гц, А 10 и 104 коэффициент деления основного делителя изменяется в пределах 104105 и 1 кГц. С учетом изложенных общих сведений суть первого недостатка состоит в следующем. При построении синтезатора стабильных электрических колебаний, работающего в широком диапазоне рабочих частот, последний с учетом удобств использования десятичной системы исчисления и целесообразности уменьшения числаподдиапазонов наиболее часто разбивают по декадному принципу (А 10). В этом случае перестраиваемый генератор должен работать (перестраиваться) в десятикратном диапазоне частот, соответствующем верхнему поддиапазону синтезатора, например, в диапазоне 10100 МГц при 100 МГц и 10. Реализация перестраиваемого генератора с коэффициентом пере крытия по частотеГ 10 представляет самостоятельную достаточно сложную 1 проблему. Ее решают либо способом построения перестраиваемого генератора (со значительно меньшим коэффициентом КГ перекрытия), работающего в более высоком диапазоне частот, и последующего переноса колебаний в требуемый диапазон -1, либо с помощью нескольких генераторов, каждый из которых перекрывает свою часть поддиапазона. Сравнительно просто реализуется перестраиваемый генератор с коэффициентом перекрытия по частоте, не превышающем значений 1,52,5. Учитывая это, применительно к рассматриваемому примеру диапазон с -110 МГц и 100 МГц необходимо разбить на три поддиапазона -1, 12 и 2, каждый из которых перекрывается своим перестраиваемым генератором с коэффициентом перекрытияГ 33 102,15 . Проведенный анализ показывает оба способа реализации генератора, перестраиваемого в широком поддиапазоне частот /-12,5, характеризуются сложностью аппаратурной реализации, что существенно усложняет построение синтезатора в целом. Суть второго недостатка рассматриваемого синтезатора состоит в следующем. Синтезатор позволяет получить с требуемым шагом сетки частот только одно стабильное колебание. При построении же различных систем и устройств, например систем телекоммуникаций, генераторов электрических сигналов, радиоизмерительных приборов,возникает необходимость наличия одновременно нескольких, наиболее часто двух, стабильных колебаний, причем во многих случаях с некратными частотами. Этого нельзя достичь с помощью рассматриваемого синтезатора, что существенно ограничивает его функциональные возможности. В настоящее время для решения проблемы в состав системы (устройства) вводят несколько синтезаторов, число которых равно числу требуемых стабильных колебаний. Такой подход существенно усложняет аппаратурную реализацию. Задачами изобретения являются упрощение аппаратурной реализации перестраиваемого генератора обеспечение возможности формирования одним синтезатором нескольких стабильных колебаний некратных частот. Поставленные задачи решаются следующим образом. Синтезатор стабильных электрических колебаний в широком диапазоне частот, содержащий перестраиваемый генератор, генератор опорного колебания, первый и второй делители частоты, блок управления и последовательно соединенные фазовый детектор,3 8265 1 2006.08.30 фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, управляющий вход и выход первого делителя частоты соединены соответственно с первым выходом блока управления и первым входом фазового детектора, выход усилителя постоянного тока подключен к управляющему входу перестраиваемого генератора, а управляющий вход второго делителя частоты соединен со вторым выходом блока управления, отличающийся тем, что дополнительно содержит третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой делители частоты, при этом счетный вход первого делителя частоты соединен со счетным входом второго делителя частоты, выход которого соединен с первым выходом синтезатора, счетный, управляющий входы и выход третьего делителя частоты соединены соответственно с выходом перестраиваемого генератора, третьим выходом блока управления и счетным входом четвертого делителя частоты, подключенного управляющим входом к четвертому выходу блока управления, а выходом - к счетному входу первого делителя частоты, управляющий, счетный входы и выход пятого делителя частоты соединены с пятым выходом блока управления, выходом второго делителя частоты и вторым выходом синтезатора соответственно, счетный, управляющий входы и выход шестого делителя частоты подключены к выходу третьего делителя частоты, шестому выходу блока управления и третьему выходу синтезатора соответственно, управляющий, счетный входы и выход седьмого делителя частоты соединены с седьмым выходом блока управления, выходом шестого делителя частоты и четвертым выходом синтезатора соответственно, а выход генератора опорного колебания подключен ко второму входу фазового детектора. Сущность изобретения состоит в следующем. В предлагаемый синтезатор введены пять делителей частоты. С их помощью достигается уменьшение коэффициента перекрытия по частоте перестраиваемого генератора и обеспечивается возможность одновременно сформировать, помимо колебания на первом выходе с частотой 1, также три колебания на частотах 2, 3, 4. Причем, в общем случае частоты 1 и 3, 2 и 4 являются попарно некратными, а частоты 1 и 2, 3 и 4 - попарно кратными. На фигуре приведена структурная схема предлагаемого синтезатора. Она содержит в себе перестраиваемый генератор 1, третий 2, четвертый 3, первый 4 делители частоты, фазовый детектор 5, ФНЧ 6, усилитель 7 постоянного тока, блок 8 управления, генератор 9 опорного колебания, второй 10, пятый 11, шестой 12 и седьмой 13 делители частоты. Делители 2-4 делят частоту входного колебания, поступающего на счетный вход каждого, соответственно в ,ираз, делители 10-13 - соответственно в , ,ираз (, , , , , ,- целые числа). Коэффициенты деления частоты всех делителей являются переменными. Их значения устанавливаются с помощью блока 8, связанного с управляющими входами делителей. Генератор 9 представляет собой кварцевый генератор стабильного опорного колебания с частотой 0. Генератор 1 является перестраиваемым по частоте. Он является источником колебания с перестраиваемой частотой Г. Делители 2, 3 и 4 делят частоту входного колебания соответственно в ,ираз, образуя тем самым на первом входе детектора 5 вспомогательное колебание с частотой Г/.детекторе 5 осуществляется сравнение по фазе вспомогательного и опорного колебаний. Выходной сигнал детектора 5 подвергается низкочастотной фильтрации (ФНЧ 6) и усилению(усилитель 7). В результате вырабатывается сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности фаз вспомогательного и опорного колебаний. Генератор 1 являет собой генератор, управляемый напряжением. Поэтому под влиянием сигнала ошибки частота Г колебаний на его выходе изменяется (подстраивается), стремясь к значению Г 0, при котором разность фаз вспомогательного и опорного колебаний стремится к нулю. Элементы 1-7 и 9 образуют в совокупности систему ФАПЧ генератора 1, управляющую частотой последнего с точностью до фазы. Делитель 10 делит частоту поступающего на его счетный вход колебания враз, формируя на первом выходе синтезатора стабильное ко. Делитель 12 имеет коэффициент деления частоты, равный , и образует на третьем выходе 0. Делитель 13 с косинтезатора стабильное колебание с частотой 30 образует на втором выходе синтезатора колебание с частотой 2 эффициентом деленияобразует на четвертом выходе синтезатора колебание с частотой Делитель 12 наиболее удобно реализовать последовательным соединением двух делителей частоты с коэффициентами деленияи . Выбирая необходимые значения параметров , ,иделителей 3, 4, 10 и 12, можно устанавливать требуемые, в общем случае некратные, значения частот 1 и 3. Частоты 1 и 2, а также 3 и 4 являются попарно кратными. Частоты 2 и 4 в общем случае некратны. При 1 произведение 0 не должно превосходить значенияверхней граничной частоты перестраиваемого генератора 1. Поэтому максимальные значения частот колебаний 10 и 30, которые можно одновременно сформировать, соответствуют условию 0. Как показано выше, независимо от используемого поддиапазона рабочих частот синтезатора, генератор 1 работает (перестраивается) в одном и том же диапазоне -1, соответствующем верхнему поддиапазону устройства. Если ширина этого диапазона достаточно велика ( 2,5 ), то реализация генератора существенно усложняется.1 Для уменьшения диапазона перестройки генератора 1 в синтезатор дополнительно введен делитель 2. Он имеет переменный коэффициентделения, изменяющийся с шагом 1 от минимального .1 до максимального. С помощью делителя 2 необходизначения, где/-1- целая часть числа 2 2 мые колебания в интервалах частот 12, относящихся к нижней части -10,5 исходного диапазона -1, образуются посредством деления враз частоты колебаний генератора 1, перестраиваемого в соответствующих интервалах Г 1 Г 2 верхней части 0,5 диапазона -1. За счет этого уменьшается коэффициент КГ перекрытия по частоте. В таблице приведены значения коэффициентадля различных вариантов разбиения на поддиапазоны рабочего диапазонасинтезатора (для различных А). 8265 1 2006.08.30 Значения коэффициентаделения для различных вариантов построения А Анализ работы предлагаемого синтезатора с учетом соотношения (3) и данных таблицы показывает, что введение в устройство делителя 2 позволило уменьшить коэффициент КГ перестраиваемого генератора, который, по сравнению с известным синтезатором, при любых вариантах разбиения рабочего диапазонана поддиапазоны (при различных А) не превышает значения КГ 2. Это существенно упрощает аппаратурную реализацию генератора и синтезатора в целом. Вернемся к рассмотренному выше примеру построения синтезатора с 100 МГц и декадным (А 10) разбиением на поддиапазоны рабочего диапазона частот . В случае известного устройства 2 перестраиваемый генератор должен перекрывать диапазон частот 10100 МГц, соответствующий верхнему поддиапазону -1. В предлагаемом синтезаторе генератор 1 работает в диапазоне частот 50100 МГц. При этом необходимые колебания в интервалах частот 2550, 12,525 и 1012,5 МГц образуются делением (делителем 2) соответственно в 2, 4 и 5 раз частоты колебаний генератора, который применительно к этим интервалам частот работает в интервалах соответственно 50100,50100 и 5062,5 МГц (см. таблицу). Таким образом, при установке значения параметра 1 предлагаемый синтезатор позволяет сформировать на своем первом выходе стабильное колебание в том же диапазоне 8265 1 2006.08.30 и с тем же шагом сетки частот, что и известный синтезатор 2, и отличается от последнего тем, что благодаря введению делителя 2 с переменным коэффициентом деления 1,.коэффициент перекрытия по частоте перестраиваемого генератора 1 не превышает значения Г 2 при любых вариантах разбиения на поддиапазоны рабочего диапазона Р синтезатора. Введение в устройство делителей 3, 11, 12 и 13 обеспечивает возможность одновременно сформировать, помимо колебания с частотой 1, также колебания на частотах 2, 3 и 4. При этом в общем случае частоты 1 и 3, 2 и 4 являются попарно некратными, а частоты 1 и 2, 3 и 4 - попарно кратными. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.