Синтезатори частоти

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА ДО КУРСОВОГО ПРОЕКТУ

з дисципліни «Обладнання конкретних підприємств»

на тему:

«Синтезатор гармонічного сигналу»

Студента IV курсу РТ-31 групи

напряму підготовки 6.050903 Телекомунікації

спеціальності 5.05090306 «Монтаж, технічне обслуговування і ремонт обладнання радіозв’язку, радіомовлення та телебачення»

Сімонова Є.О.

Керівник викладач Посошенко В. О.

Національна шкала _____________

Кількість балів: ______ Оцінка: ECTS ______

Члени комісії ________ Посошенко В.О.

________ Сєвєрін М.В.

________ Крикунов В.М.

м. Харків – 2016 рік

Анотація

25 сторінок; 14 рисунків; 2 таблиці; 4 літературних джерела.

Розглянута дія та особливості роботи пристрою синтезатора гармонічного сигналу на прикладі аналогічних з ним конструкцій, а саме синтезатора сітки частот, інших синтезаторів, та синтезатора на мікроконтролері. Розробили структурну та функціональну схему пристрою. Більш детально розглянуто підсилювач резонансної частоти. На базі розроблених схем та довідкових даних розроблено принципову схему підсилювача з визначенням електричних параметрів її елементів. Зроблено висновки за результатами роботи над проектом.

Annotation

25 pages; 14 figures; 2 tables; 4 references.

Consider the performance and features of the device harmonic synthesizer signal similar to the example of his designs, such as the grid frequency synthesizer and other keyboards and synthesizer on the microcontroller. Develop structural and functional scheme of the device. More deals resonance frequency amplifier. On the basis of the developed schemes and reference data designed schematic diagram of an amplifier with defined electrical parameters of its elements. Calculate frequency and phase response. Make the conclusions on the results of the project.

ЗМІСТ

Вступ………………………………………………………………………………4

1 Огляд аналогічних конструкцій………………………………………………5

1.1 Синтезатор сітки частот………………………………………………5

1.2 Синтезатори частоти………………………………………………….8

1.3 Синтезатор частоти DDS на AD9850……………………………….12

2 Розрахункова частина………………………………………………………15

2.1 Структурний розрахунок……………………………………………15

2.2 Розрахунок принципових схем…………………………………….16

3 Моделювання роботи підсилювача……………………………………….19

4 Проектування підсилювача резонансної частоти…………………………24

Висновки……………………………………………………………….………..25

Перелік посилань…………………………………………………………..…..26

Додаток А……………………………………………………………………….27

Вступ

Синтезатор частот — прилад для генерації електричних гармонічних коливань за допомогою нелінійних перетворень на основі одного чи декількох опорних генераторів. Вони служать джерелами стабільних коливань в радіоприймачах, передавачах, частотомірах, випробувальних генераторах сигналів та інших пристроях, в яких необхідне налаштування на різні частоти в широкому діапазоне та висока стабільність вибраної частоти. Стабільність зазвичай досягається застосуванням фазового автопідстроювання частоти чи прямого цифрового синтезу з використанням опорного генератора с кварцовою стабілізацією. Синтез частот забезпечує більш високу точність та стабільність, ніж традиційні електричні генератори з перебудовою зміни індуктивності чи ємності, а також дуже широкий діапазон перебудови без яких-небудь комутацій та практично миттєве переключення на будь-яку задану частоту.

У цій роботі зроблено огляд аналогічних синтезаторів частоти, синтезатора сітки частот та синтезатора на мікроконтролері для синтезатору з ФАПЧ конструкцій та звернута увага на особливості кожного з пристрою. Розроблено структурну та функціональну схеми досліджуваного синтезатора, зроблено структурний розрахунок синтезатора для необхідної резонансної частоти. Більш детально дослідили підсилювач резонансної частоти. Виходячи з структурних та функціональних схем синтезаторів, навчальних матеріалів та необхідних літературних джерел розроблено принципову схему підсилювача та розрахували значення його елементів.

1 Огляд аналогічних конструкцій

Розглянемо аналогічні до синтезатору з ФАПЧ конструкції, такі як: інші синтезатори частоти, синтезатор сітки частот та синтезатор на мікроконтролері.

1.1 Синтезатор сітки частот.

Принцип його роботи полягає в стабілізації потрібних частот відбувається за допомогою найпростішої петлі ФАПЧ, Яка дозволяє точно синхронізувати частоту автогенератора будь-яким зразковим сигналом, частота якого близька до частоти автогенератора чи кратному їй значенню. В якості генератора зразкового сигналу в цьому синтезаторі використовується опорний гетеродин приймача 500 кГц. При цьому в спектрі автогенератора, який потрібно синхронізувати, не буде міститися складових, які є в спектрі синхронізованого сигналу. Характерною особливістю системи ФАПЧ є те, що в стаціонарному режимі є деяка залишкова різниця фаз, в той час як частоти зразкового та синхронізаційного генераторів співпадають. Принципова електрична схема синтезатора сітки частот показана на рисунку 1.1.

Рис.1.1 - Принципова електрична схема синтезатора сітки частот [1].

Синтезатор виробляє частоти, які використовуються на різних діапазонах вказаних в таблиці 1.

Табл.1 – Частоти, які виробляє синтезатор та діапазони [1]

При підборі номіналів конденсаторів С27…С23 можна отримати і інші стабільні частоти з сіткою 500 кГц в інтервалі 7, 5…23, 5 МГц при використанні однієї котушки L3 з обмотувальними даними, що вказані в тексті. При використанні додаткових котушок зі змінними обмотувальними даними в ту чи іншу сторону можна розширити частотний інтервал до 5…31 МГц. Вхідний сигнал синтезатора від опорного гетеродину (на схемі не показаний) використовується амплітудою до двох вольт синусоїдальної форми. Проте, синхронізація генератора здійснюється до зниження амплітуди до 0, 3 вольта. Вихідний сигнал синтезатора складає 1, 7 вольта (амплітудне значення) на обох виходах. Один вихід синтезатора використовується для підключення змішувача приймача, а другий – для змішувача передавальної приставки чи цифрової шкали, чим досягається хороша розв’язка виходів.

Вхідний сигнал частотою 500 кГц від зразкового генератора (опорний гетеродин приймача) поступає на каскад, виконаний на транзисторі VT1, на якому зібрано підсилювач цієї частоти. Цей каскад має високий вхідний опір, що мало шунтує вихід опорного кварцового гетеродину. Діод VD1 пропускає тільки позитивні складові підсиленого сигналу. Крім того, будучи нелінійним елементом, він сприяє виникненню багатьох вищих гармонік сигналу, які необхідні для отримання сітки частот, на яких і буде відбуватися синхронізація сигналу. Далі позитивні імпульси диференціюються ланцюгом С3, R5 - перетворюються в дуже короткі імпульси, їх тривалість не повинна перевищувати половину періоду генератора, що синхронізує. Германієвий діод VD2 закорочує негативні залишки продукту на корпус, тим самим покращує форму сигналу в цілому (підчищення), наближаючи його форму до необхідної. Далі імпульсний сигнал поступає на затвор транзистора VT2, на якому зібраний парафазний каскад. На його виходах присутні протифазні сигнали. Ці сигнали поступають на імпульсний фазовий детектор на діодах VD4…VD7. Під час дії імпульсу ці діоди відчиняються, і конденсатор С9 на короткий час виявляється з’єднаним з виходом генератора, сигнал з котрого на фазовий детектор поступає через емітерний повторювач на транзисторі VT3. По відношенню до деякого початкового значення, яке задається дільником на резисторах R9 и R10 (попереднє змішення на варикап VD8), напруга на конденсаторі змінюється на значення напруги, що надходить в даний момент з генератора. Стала часу ланцюга С7, R8, вибрана такою, щоб в паузах між відчиняють імпульсами діоди VD4…VD7 були закриті. Діод VD3 шунтує виходи парафазного каскаду, що сприятливо позначається на симетричності протифазних сигналів, негативні імпульси загострюються та становляться ідентичними по амплітуді та формі з імпульсами позитивної полярності, що добре помітно на осцилограмах. Осцилограма імпульсів знята в точці з’єднання катодів діодів VD4, VD5 показана на рисунку 1.2, а в точці з’єднання анодів VD6, VD7 – на рисунку 1.3.

Рис. 1.2 – Осцилограма імульсів точки з’єднання VD4, VD5 [1].

Рис. 1.3 - Осцилограми імпульсів в точці з’єднання VD6, VD7 [1].

Ємність конденсатора С9 вибрана по допустимому пульсаціям на виході детектора. Оскільки в даному випадку навантаженням фазового детектора є високоомний пристрій – варикап, то конденсатор невеликої ємності вже забезпечує необхідну фільтрацію керуючої напруги, при цьому забезпечується достатня швидкодія роботи петлі ФАПЧ и розширяється діапазон вироблюваних частот в верхній області при використанні однієї і тієї ж котушки.

Генератор виконаний на польовому транзисторі VT4 за схемою індуктивної трьохточки. З стоку транзистора синхронізований сигнал поступає на здвоєний емітерний повторювач, виконаний на транзисторах VT5, VT6. З емітера VT5 сигнал подається на базу VT3 (петля ФАПЧ), а, також, на змішувач приймача. Сигнал, знятий з емітера VT6, використовується для подачі на змішувач передавальний приставки чи на вхід цифрової шкали. Вибір вироблюваних по діапазонам частот приводиться галетним перемикачем (один напрям, одинадцять положень) SA1.

Синтезатори частоти

До гетеродинів сучасних радіоприймальних пристроїв нині пред'являються вимоги забезпечувати стабільність частоти таку як можуть забезпечити тільки кварцові генератори. При цьому вони повинні забезпечувати перебудову з однієї частотина іншу. Ці вимоги можуть бути поєднані тільки в особливих пристроях синтезаторах частот.

Синтезатори частот, вживані в якості гетеродинів радіоприймачів, нині в основному реалізуються за допомогою схеми фазового автоматичного підстроювання частоти (ФАПЧ). Це пов'язано з тією обставиною, що діапазон перебудови гетеродинів в приймачах мобільного зв'язку УКВ діапазону досить малий.

Розглянемо основні блоки, що входять в структурну схему фазового автоматичного підстроювання частоти (ФАПЧ).

Структурна схема ФАПЧ приведена на рисунку 1.4.

Рис. 1.4 - Структурна схема ланцюга фазового автопідстроювання частоти (синтезатора частот) [2].

До складу цієї структурної схеми входить фазовий детектор (ФД), що формує сигнал помилки формованого коливання. Вихідне коливання виробляється генератором, керованим напругою (ГКН). Зразкове коливання в цій схемі формує опорний генератор (ОГ). Ще однією невід'ємною ланкою ланцюга фазового автопідстроювання частоти є фільтр нижніх частот (ФНЧ), що дозволяє уникнути самозбудження усієї схеми в цілому.

Залежно від елементів, використаних в схемі фазового автопідстроювання частоти, вона може бути аналоговою (при використанні аналогових схем фазового детектора), цифровою (при використанні як фазовий детектор логічних ланцюгів) і повністю цифровою (при реалізації фільтру низької частоти в цифровому виді).

В результаті роботи схеми, приведеної на рисунку 1.4, ми в ідеальному випадку можемо отримати таке саме коливання, що і коливання опорного генератора. Але тоді навіщо потрібна уся схема? Адже можна було б просто узяти сигнал з виходу опорного генератора.

Перше завдання, яке можна вирішити при використанні схеми фазового автоматичного підстроювання частоти, - це реалізація детектування частотно-модульованого сигналу. Якщо знімати напругу з виходу ФНЧ, що входить до складу схеми фазового автопідстроювання частоти, то його рівень буде пропорційний відхиленню частоти опорного генератора від номінального значення.

Проте ми збиралися використати схему ФАПЧ для генерації заданого набору частот. Тобто нам вимагається навчитися змінювати частоту генератора керованого напругою. Для цього включимо в ланцюг зворотного зв'язку дільника частоти. Частота сигналу на виході цього дільника зменшиться в порівнянні з вхідним значенням в коефіцієнт ділення разів. Але ж на вході фазового детектора частоти мають бути рівними один одному. Для цього ми збільшимо частоту ГКН в коефіцієнт ділення разів. При спробі частоти ГКН змінитися відносно цього значення, ланцюг фазового автопідстроювання повертатиме її до номінального значення.

Рис. 1.5 - Структурна схема цифрового синтезатора частот [2].

У структурній схемі, приведеній на рисунку 1.5, використаний дільник зі змінним коефіцієнтом ділення (ДЗКД). Змінюючи коефіцієнт ділення N подільника ДПКД, можна перебудовувати вихідну частоту генератора. У цій схемі в якості фазового детектора може бути застосований як цифровий фазовий детектор, так і фазовий компаратор. Застосування фазового компаратора дозволяє розширити частотний діапазон захоплення петлі фазового автоматичного підстроювання частоти синтезатора частот.

Як ми вже знаємо з курсу цифрової схемотехніки, коефіцієнт ділення цифрового дільника частоти може досягати декількох тисяч. Вибравши досить низьку опорну частоту f_оп можна отримати крок перебудови синтезатора, що задовольняє вимогам до генератора частот. Крок перебудови синтезатора в схемі ФАПЧ виходить рівним частоті опорного генератора.

Зазвичай в радіотехнічних схемах потрібно малий крок перебудови генератора. Величина цього кроку складає сотні герц або, в крайньому випадку, одиниці кілогерц. У системах мобільного радіозв'язку крок перебудови синтезатора частот має дорівнювати ширині каналу зв'язку. В результаті виникає нова проблема. Ми не можемо використати для формування такої частоти кварцовий генератор, адже прийнятні по габаритах і вартості кварцові резонатори можуть працювати тільки в діапазоні частот від 1 до 30 Мгц.

Проте, для отримання низької частоти порівняння на входах фазового детектора, на виході опорного генератора можна поставити ще одного цифрового дільника частоти з постійним коефіцієнтом ділення, як це виконано в схемі, приведеній на рисунку 1.6. У цій схемі ми можемо вибирати значення частот порівняння f_ср, опорної частоти f_оп і вихідного коливання f в досить широкому діапазоні.

Рис. 1.6 - Структурна схема цифрового синтезатора частот з малим кроком перебудови частоти [2].

Як приклад давайте визначимо вимоги до блоків, що входять в структурну схему синтезатора, що виробляє частоти в діапазоні від 146 до 174 МГц. Нехай в схемі буде використаний генератор опорної частоти 6, 4 МГц. Такі високостабільні генератори пропонуються багатьма фірмами в якості готових модулів, наприклад модуль 6.4 MHz CFPT - 9006 - FC - 1b фірм C - MAC.

Крок перебудови по частоті в заданому діапазоні частот визначається рознесенням радіоканалів по частоті (шириною каналу). Нині в цьому діапазоні частот МККР рекомендує будувати апаратуру з шириною смуги радіоканалу 12, 5 кГц. Нехай наш синтезатор частот матиме саме такий крок налаштування частоти. Тоді частота порівняння на вході фазового детектора теж повинна відповідати цьому значенню. Звідси можна визначити коефіцієнт ділення постійного дільника ПД:

Тепер визначимо максимальне і мінімальне значення коефіцієнтів ділення ДЗКД:

Усі отримані коефіцієнти ділення легко реалізуються одній з схем дільників частоти (цифрових лічильників), розглянутих нами в попередніх главах. Тепер можна приступати до розробки принципової схеми синтезатора. Єдиним блоком, не розглянутим в попередніх главах, залишився блок визначення помилки по частоті.