§ 1.2.4 Генераторы крайне низких частот

Диапазон рабочих частот: менее 10 Гц.

Генераторы такого типа требуются там, где развиваются крайне медленные процессы (например, процессы в геологии, океанологии имеют периодичность ~ 3 Гц и ниже).

Также такие генераторы применяются в медицинском оборудовании и для различных научных исследований.

Принцип генерации на крайне низких частотах (и ниже)

Математической моделью данного процесса является обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка, решением которого является функция, описывающая незатухающее гармоническое колебание.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

В процессе решения этого уравнения с помощью электронной модели на операционных усилителях придем к ответу в виде функции описывающей незатухающее гармоническое колебание:

;

Рассмотрим электронную модель решения ОДУ:

Для того чтобы процесс генерации начался необходимо задать начальные условия U₀₁ и U₀₂.

§ 1.4.1 Синтезаторы частоты

Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений математических операций (умножений, сложений, разностей) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных по частоте колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза при использовании опорного генератора с кварцевой стабилизацией.

Главным преимущество синтезаторов частоты по сравнению с обычными генераторами – очень малая нестабильность частоты.

(10^-7 – 10^-12);

Есть несколько путей реализации синтезаторов частот:

1. принцип прямого синтеза;

2. принцип использования фазовой автоподстройки (ФАП) частоты.

Рассмотрим структурную схему синтезатора частоты основанного на принципе применения фазовой автоподстройки частоты:

На основе частоты синхронизации формирователь формирует сигнал с определенной частотой, определяемый коэффициентами деления частоты n и m, но при этом с формой определяемой конструкцией формирователя. В простейшем случае формирователь представляет собой набор фильтров.

ГУН – генератор управляемый напряжением;

f_c – частота синхронизации;

n и m – это целые числа задающие коэффициенты деления в делителях частоты, они устанавливаются элементами управления синтезатора частоты.

Генератор стабилизированный кварцевым резонатором обеспечивает относительную нестабильность всего генератора на уровне 10^-9.

Частотный детектор (ЧД) сравнивает частоты, поступившие на его входы слева и снизу:

За счет действия обратной связи присутствующей в синтезаторе частоты происходит коррекция частоты генератора управляемого напряжением с помощью подаваемого на него управляющего напряжения U_упр. формируемого суммирующим усилителем.

;

;

;

Фазовый детектор (дискриминатор) (ФД) сравнивает совпадение фаз аналогично ЧД.

Описанная система автоматически управляется по частоте, то есть имеет место автоподстройка частоты.

Проведем несложный математический расчет:

;

Отсюда следует, что частота синхронизации определяется частотой генератора стабилизированного кварцевым резонатором f_кв, а с учетом того что m и n это целые числа устанавливающие коэффициент деления частоты в делителях частоты не влияющие на стабильность частоты, то стабильность частоты синхронизации формирователя, а следовательно и всего синтезатора частоты определяется только относительной нестабильностью генератора стабилизированного кварцевым резонатором f_кв.

Рассмотрим структурную схему синтезатора частоты основанного на принципе прямого синтеза:

В данном случае используется метод комбинационных частот.

Имеется некоторый конечный набор неперестраиваемых генераторов стабилизированных кварцевыми резонаторами. С их выходов сигнал подается на сумматор, а далее на нелинейный элемент (сумматор и нелинейный элемент могут представлять собой одно устройство). Нелинейным называется элемент с нелинейной вольтамперной характеристикой.

На выходе нелинейного элемента присутствуют кратные (2f₁, 3f₁, …) и комбинационные (f₁-f₂, f₁+f₂, …) частоты, отсутствовавшие в спектре суммарного сигнала всех генераторов. Эти частоты образуют определенную сетку частот, причем количество различных частот много больше (выходной спектр является бесконечно протяженным по частоте) количества частот во входном сигнале нелинейного элемента. Все частоты на выходе нелинейного элемента имеют такую же стабильность, что и входные частоты и все нестабильности частот в этом случае определяются нестабильностями кварцевых резонаторов.

С помощью набора перестраиваемых и неперестраиваемых фильтров (которые могут управляться цифровым электронным блоком) из выходного спектра, полученного в ходе нелинейного преобразования, выделяется конкретная частота f_m.

Генераторы стабилизированные кварцевыми резонаторами обеспечивают относительную нестабильность всего генератора на уровне 10^-9.

Разновидностей цифрового синтеза существует множество, но все они используют описанный выше принцип, это относится и так называемому прямому цифровому синтезу (Direct Digital Synthesis, DDS).