12.3. Кварцевый автогенератор. Понятие о частотном синтезаторе

Кварцевая стабилизация частоты. Недостаточно высокая стабильность частоты -автогенератора обусловлена низкой фиксирующей способностью его контура. Как отмечалось в предыдущем параграфе, нарушение баланса фаз влечет за собой изменение частоты до тех пор, пока он не восстановится. Чем выше добротность контура, тем уже его полоса пропускания и тем круче его ФЧХ, т. е. тем больше изменение фазы тока в контуре на каждый герц расстройки. Поэтому при одинаковом нарушении БФ уход частоты меньше в АГ с контуром более высокой добротности. Его фиксирующая способность выше.

Теперь понятно, что если вместо контура с добротностью, например, 100 применить кварцевый резонатор с добротностью 100000, то фиксирующая способность возрастет в 1000 раз и резко повысится стабильность частоты. Поэтому практически во всех современных авиационных РПУ и РПДУ связи и навигации используется кварцевая стабилизация частоты, обеспечивающая .

Процесс стабилизации частоты наиболее просто и наглядно можно объяснить на примере одного из фильтровых кварцевых автогенераторов (КАГ), в котором кварцевый резонатор Кв, используемый в качестве узкополосного фильтра, включен в контур АГ. На рис. 12.3, а приведены контур КАГ с кварцевым резонатором, а также графики процесса стабилизации. Полная схема может быть любой одноконтурной.

Если колебания происходят на частоте последовательного резонанса кварца , то сопротивление кварца чисто активное и он не влияет на процесс колебаний. При повышении частоты, когда оно становится индуктивным и резко возрастает. Это равноценно увеличению индуктивности контура и приводит к понижению частоты до ее совпадения с

Аналогичный процесс, но в обратном направлении, произойдет при понижении В этом случае за счет последовательного соединения двух емкостей общая емкость уменьшится, а повысится. Описанный процесс называют затягиванием частоты. Он используется, в частности, в опорном КАГ радиостанции "Микрон".

Понитие о частотном синтезаторе. Каждый КАГ вырабатывает только одно колебание высокостабильной частоты. А как быть, если требуется получить широкий дискретный диапазон высокостабильных частот? Например, в диапазоне радиостанции "Микрон" их 220000, "Ядро" − 160000 при .

Возникает проблема "размножения" частот, т. е. получения (синтеза) множеств высокостабильных частот при использовании малого числа КАГ и резонаторов. Очевидно, наиболее эффективным был бы такой синтезатор, который при использование единственного опорного КАГ с одним резонатором обеспечивал бы получение любой требуемого числа частот с любым межчастотным интервалом в любом заданном диа пазоне. В этом случае можно создать оптимальные условия работы опорного КАГ, применив наряду с кварцевой параметрическую стабилизацию его частоты, и добиться наивысшей стабильности.

Попробуем "изобрести" такой синтезатор. Вначале выясним, какие арифметические действия надо произвести с опорной частотой для получения произвольной частоты сигнала. Пусть, например, требуется получить

1. Запишем это значение в виде суммы:

.

Показатель степени в каждом слагаемом назовем номером десятичного разряда (например, − пять единиц третьего разряда).

2. Выберем частоту опорного генератора (например, − единица третьего разряда) и получим опорные частоты младших разрядов путем деления на .

3. В каждом разряде умножим опорную частоту на число единиц: 5 − в третьем, 3 − во втором, 6 − в первом и 2 − в нулевом.

4. Произведем сложение полученных частот. В общем случае:

где − целое число от 0 до 9.

Теперь разработаем структурную схему синтезатора (рис. 12.3, б). Она состоит из опорного КАГ и однородных функциональных горизонтально расположенных элементов (линеек). Каждая из них содержит аналогичные каскады, относящиеся к различным разрядам.

Линейка делителей (умножителей) частоты на 10 формирует опорные частоты всех разрядов. Линейка генераторов гармоник формирует в каждом разряде с первой по девятую гармоники. Линейка гребенчатых фильтров разделяет эти гармоники. Линейка коммутаторов (диодных матричных) управляется через декадные (на 10 положений) переключатели установки частоты каждого разряда на пульте дистанционного управления (ПДУ). В данном примере положения четырех переключателей: 5, 3, 6, 2. Соответствующие этим положениям гармоники проходят через коммутаторы на смесители. Линейка смесителей производит сложение частот (выделение верхних боковых колебаний) соседних разрядов, начиная с младшего. Численные значения частот на выходе каскадов обозначены на схеме.

Для изменения частоты надо установить переключатели на ПДУ в соответствующие положения. Тогда через коммутаторы будут пропущены другие гармоники.

Для расширения диапазона в сторону высоких частот надо добавлять разряды слева, а в сторону низких − справа. Ширина межчастотного интервала (интервала дискретности) равна частоте младшего разряда. В нашем примере .

В рассмотренном синтезаторе алгоритм формирования частоты реализован простейшим образом − "напрямую". В реальных синтезаторах использованы схемы, в которых тот же результат достигается более экономичным путем. Среди них наиболее современными являются цифровые схемы, использованные, например, в АРК-15М и КРС "Баклан".

Рассмотренная схема декадного синтезатора относится к числу синтезаторов с прямым синтезом частоты . Такие схемы наряду с основным колебанием вырабатывают и побочные, когорых тем больше, чем больше смесителей. Поэтому несмотря на все меры по "очищению" спектра в диапазоне возникает значительное число пораженных точек.

И вновь мы сталкиваемся с проблемой фильтрации, решить которую в данных условиях очень трудно. В самом деле, во-первых, расстройка побочного колебания может быть сколь угодно малой, вплоть до совпадения частот . Во-вторых, фильтрацию надо обеспечить на любой частоте диапазона. Для этого требуется широкодиапазонный ПФ с бесконечно узкой полосой пропускания. Как быть? А что если вернуться к простейшему одноконтурному АГ? Ведь он вырабатывает "чистое" гармоническое колебание. Мы отказались от его применения из-за низкой стабильности частоты. А нельзя ли ее повысить, используя автоматическую подстройку этой частоты к высокостабильной опорной частоте , которую вырабатывает датчик опорных частот (ДОЧ) − синтезатор с прямым синтезом? Если обеспечить абсолютную точность АПЧ, то лежащее в основе проблемы противоречие между высокой стабильностью, но "грязным" спектром частот и низкой стабильностью, но "чистым" спектром частот будет разрешено. Следовательно, идея косвенного синтеза по своему результату и есть решение проблемы динамического диапазонного ПФ с бесконечно узкой полосой пропускания.

Разработаем структурную схему ФАП, поскольку фазовая автоподстройка обеспечивает наивысшую точность АПЧ, вплоть до полного совпадения частот и . Что из уже известного арсенала средств можно использовать для того, чтобы решить эту задачу?

Видимо, результатом должна быть система автоматического управления частотой ведомого автогенератора (ВАГ), в которой датчиком частоты является ДОЧ, а сравнивающим устройством − фазовый детектор ФД (рис. 12.3, в). Выходное напряжение ФД должно управлять частотой . Оно поступает в кольцо автоподстройки, в котором исполнительным элементом − управителем (У) является варикап, включенный в контур ВАГ. Его емкость, зависящая от , изменяется, изменяя до полного совпадения с . Между ФД и У в кольцо включены ФНЧ и комбинированный каскад ГПИ − УПТ (генератор пилообразных импульсов и усилитель постоянного тока), роль которых предстоит выяснить. Очевидно, система ФАП должна работать в двух режимах: поиска и слежения. В первом режиме и происходит автоматическая настройка ВАГ до совпадения частот. Во втором система "следит" за частотой , компенсируя любые ее отклонения от . Рассмотрим эти режимы подробнее.

На графиках рис. 12.3, в штриховыми линиями показано изменение во времени напряжения генератора пилообразных импульсов ГПИ, под действием которого изменяется емкость управителя и частота сигнала . В этом режиме ФД работает как гетеродинный детектор. Его напряжение изменяется с частотой биений (или . Интегрирующим звеном является ФНЧ с очень низкой частотой среза . При достаточно больших расстройках, когда , напряжение на выходе ФНЧ ниже порогового значения. По мере приближения и уменьшения растет (см. АЧХ ФНЧ на рис. 12.3, а). Как только оно превысит пороговое значение, в комбинированном каскаде произойдет переключение и ГПИ превратится в УПТ.

В этот момент начинается так называемое "схватывание" частоты , которая под действием медленно меняющихся и приближается и совпадает с . Начинается фазовое детектирование. Управляющие напряжения становятся постоянными и зависимыми от угла сдвига фаз между колебаниями и на входах ФД. Когда , (см. рис. 11.4, ж) и система сбалансирована. На любое нарушение баланса она реагирует появлением положительного или отрицательного , которое воздействуя через управитель на ВАГ, компенсирует это нарушение. В этом и состоит слежение. При установке на ПДУ другой частоты изменяется и вновь начинается поиск.

Подобные системы нашли применение в бортовых СРСТ с однополосным режимом "Микрон" и "Ядро".