Читать книгу Обзорный анализ направлений в частотном синтезе на основе ФАПЧ - Виталий Иванович Козлов - Страница 21

Недостаток предыдущего варианта устраняется в схеме, предложенной Никифоровым В.И. [46; 47] и показанной на рисунке 20. Диаграммы, поясняющие её работу, приведены на рисунке 21.

Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. Чтобы избежать излишней сложности в описании работы схемы, здесь выбраны небольшие значения как его ёмкости Q=16 так и накапливаемого им числа R=3. Импульс переполнения аккумулятора поступает на формирователь импульсов, синхронизируемый частотой Fr. Цифровая последовательность с выхода аккумулятора подаётся на один из входов мультиплексора, а на другой вход последнего – код R.

Мультиплексор переключается импульсом с одного из выходов формирователя импульсов таким образом, что на выходе мультиплексора с каждым переполнением аккумулятора чередуются код R и остаток H в аккумуляторе как результат его переполнения. При этом время действия остатка удваивается относительно периода T1=1/Fr. Далее цифровая последовательность с выхода мультиплексора преобразовывается ЦАП в аналоговый эквивалент и поступает на интегрирующее звено, которое может быть выполнено на основе операционного усилителя. Элемент разряда служит для сброса заряда в интегрирующем звене во время переполнения аккумулятора. Для этого используется управляющий импульс с другого выхода формирователя импульсов. Длительность этого импульса равна T2=2/Fr. За это время интегрирующее звено должно быть полностью очищенным от заряда.

Рис.20 Схема Никифорова

На диаграммах рисунка 21 показано: A) – процесс в аккумуляторе; B) – импульс управления разрядом интегрирующего звена; C) – импульс управления мультиплексором; D) – текущие значения кода на выходе мультиплексора и пропорциональные им аналоговые величины на выходе ЦАП; E) – напряжение на выходе интегрирующего звена.

Следует обратить внимание на характерные особенности диаграммы E в моменты времени, отмеченные пронумерованными точками на оси абсцисс. Точка 0 – интегрирующее звено полностью разряжено. Точка 1 – мультиплексор включил на входе ЦАП число R=3, и на интервале времени до точки 2 звено заряжается по линейному закону со скоростью, определяемой эквивалентом этого числа на выходе ЦАП. Точка 2 – аккумулятор переполнился; импульс ‘B’ сбросил заряд интегрирующего звена; импульс ‘C’ включил через мультиплексор остаток от переполнения аккумулятора. Точка 3 – интегрирующее звено заряжается со скоростью, пропорциональной преобразованной в ЦАП величине остатка H=2. Точка 4 – снова включен код R=3, и интегрирующее звено в течение интервала до точки 5 заряжается с соответствующей, упомянутой выше, скоростью. От точки 5 до точки 6 повторяются операции как они были на интервале 2 – 3 (от точки 2 до точки 3). Точка 6 – остаток изменился на H=1, и на интервале 6 – 7 скорость заряда интегрирующего звена уменьшилась в 2 раза по сравнению с интервалом 3 – 4. На интервале 7 – 8 заряд интегрирующего звена снова происходит в соответствии с кодом R=3, и далее процесс повторяется.

Рис.21. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 20

Как показано на рисунке 21, если брать выборки функции E через некоторые одинаковые интервалы времени Tc в области значений функции от Umin до Umax, где она строго линейна, то значения Ec выборок оказываются неизменными. Umin – это значение функции, соответствующее точке 4, то есть когда остаток и накопленный в интегрирующем звене заряд во время действия этого остатка минимальны. Umax – это значение функции, соответствующее точке 8, то есть когда её максимальное значение на интервале от переполнения аккумулятора до его очередного переполнения максимально среди всех возможных случаев для выбранных параметров R и Q.

Период упомянутых выборок равен Tc=QTr/R, то есть их частота равна.

Благодаря этому, если сигнал с выхода интегрирующего звена подать на аналоговый вход импульсно-фазового детектора типа «выборка-хранение», а другой его вход подключить к импульсному выходу ГУН, включенному в петлю ФАПЧ (для этого используется выход 1 на рисунке 20), то его частота Fc будет приведена, с помощью управляющего напряжения Ec, в соответствие с опорной частотой через полученное выше соотношение частот. Шаг сетки частот при этом равен dF=Fr/Q. Рабочая область статической характеристики ФД, простирающаяся от Umin до Umax, достаточно широкая для успешной работы системы ФАПЧ.

Понятно, что в случае реального интегратора, из-за его несовершенства, возникает искажение процесса Е на его выходе, что приводит к появлению помех дробности, обязанных взаимной некратности чисел R и Q. О величине этих помех будет сказано ниже.

В принципе, входы частот Fr и Fc на рисунке 20 можно поменять местами, чтобы получить на выходе системы ФАПЧ более высокую частоту в соответствии с выражением

Однако при этом надо учитывать, что в этом случае интегрирующее звено оказывается включенным в петлю ФАПЧ, и, обладая задержкой сигнала, может ухудшить устойчивость системы.

Если в рассмотренной схеме используется импульсно-фазовый детектор типа выборка-хранение, то объективных причин для включения в систему ФАПЧ фильтра нижних частот нет. Его можно использовать лишь для подавления компонентов с частотами Fc и Fr, просачивающихся через ФД, но эти частоты достаточно высокие, ФНЧ может быть широкополосным, а ФАПЧ – с высоким быстродействием.

В другом возможном варианте применения описанной схемы она может использоваться как прямой синтезатор частоты импульсных сигналов. Для этого сигнал с выхода интегрирующего звена поступает на выход 2 (на рисунке 20) через пороговый элемент. В этом случае частота импульсов на выходе схемы равна Fc=RFr/Q и шаг сетки частот равен dF=Fr/Q.

Ёмкость Q аккумулятора и число R на его входе оба могут быть переменными, что расширяет возможности в получении мелкого шага сетки частот.