1.5. Применение частотной автоподстройки частоты

Следует сразу отметить, что частотная автоподстройка частоты (ЧАП) в системах ДКСЧ широкого применения не нашла. Она весьма распространена в приемниках, частотных модуляторах и т. п. В системах же ДКСЧ ЧАП иногда применяется лишь как узкополосный фильтр в оконечных устройствах синтезаторов [8], [28], [26], [58], [59] (применение ЧАП совместно с фазовой автоподстройкой частоты рассматривается в § 1.8).

Система с кольцом ЧАП (рис. 1.6) состоит из k декад, построенных аналогично декадам рис. 1.2а, и ячейки оконечного генератора ОГ, включающей автоподстраиваемый генератор, управлямый напряжением, ГУН, усилитель постоянного тока УПТ, фильтр нижних частот ФНЧ и частотный дискриминатор ЧД. Наличие некоторых или даже всех усилителей, включая УПТ, не обязательно.

Рис. 1.6. Структурная схема синтезатора с кольцом ЧАП

Здесь, как и ранее [ф-ла (1.5)], но только вместо сложения в смесителях декад применяется вычитание справа налево (сохраняется принцип алгебраического суммирования). При этом ГУН настраивается всегда таким образом, чтобы f_I = const и равнялась центральной частоте ЧД (f_ЧД); другими словами

Принципиально важно, что в направлении суммирования частоты полоса пропускания устройства сужается и становится не шире 10β₁ = 10β₀, т. е. в 10^k-1 раз уже, чем в устройстве рис. 1.2а (напомним, что в устройстве рис. 1.2а полоса расширялась до α_kβ_k ≅ 10β_k = β₁10^k). Поэтому шумы на входе дискриминатора оказываются весьма малыми. С другой стороны, из-за большой инерционности системы ЧАП шумы ГУН кольцом автоподстройки компенсируются незначительно. Следовательно, шумы системы можно количественно оценить собственными шумами ГУН^*.

^* (Принципиально в этой системе и во всех остальных с применением АПЧ вместо ГУН может использоваться генератор плавного диапазона с электромеханической перестройкой совместно с управляющим устройством. Однако в настоящее время для синтезаторов такое решение следует считать устаревшим.)

Существенным преимуществом систем с последовательным вычитанием перед системами с последовательным сложением является меньшая трудность выполнения выходных фильтров декад. Это объясняется тем, что в схемах вычитания фильтруется малая разность двух близких частот, а в схемах сложения - сумма двух частот, причем одно из слагаемых близко к сумме.

Основным недостатком системы с ЧАП является большая нестабильность частоты выходных колебаний. При одном опорном кварцевом генераторе в МОЧ относительная нестабильность частоты

Здесь - приведенный статизм системы^*; Δf_{г ст макс} - максимальная статическая расстройка ГУН; - коэффициент стабилизации системы; S_ЧД - крутизна характеристики частотного дискриминатора; S_УУ - крутизна характеристики управляющего устройства. Из условий устойчивости системы К_сч ≤ (30÷50) [28] и обычно Δf_{г ст макс}/f₀ ≥ 10^-3, следовательно, приведенный статизм системы составляет (2-3)⋅10^-5; - приведенная относительная погрешность опорной частоты; эта величина пренебрежимо мала (10^-7 - 10^-10); - приведенная относительная нестабильность нуля частотного дискриминатора; первый множитель имеет порядок (1-5)⋅10^-3, второй - 10^-2 - 10^-3 (соответственно при двух и трех декадах); следовательно, произведение можно оценить величиной 5⋅10^-5 - 5⋅10^-6; - приведенная относительная нестабильность характеристики цепи управления (включая УПТ); ΔU - нестабильность характеристики цепи управления, определяемая, в основном, уходом нуля УПТ и нестабильностью источников питания. В реальных устройствах приведенная нестабильность характеристики цепи управления имеет тот же порядок, что и приведенный статизм генератора, т. е. (2-3)⋅10^-5.

^* (Порядок всех этих величин указан для устройств, применяемых в мобильных системах.)

Таким образом, относительная нестабильность частоты системы с ЧАП составляет ±(3-7)⋅10^-5, т. е. реально в серийных устройствах можно рассчитывать на величину ±10^-4, причем, как очевидно, ее нельзя уменьшить повышением стабильности эталонной частоты.

В заключение дадим сравнительную оценку метода с применением ЧАП.

1. Надежность работы системы с ЧАП несколько выше, а габариты и масса несколько меньше, чем системы с простой пассивной фильтрацией, так как вместо сложных декадных фильтров здесь применяются простые совместно с активной ячейкой ОГ.

2. Достоверность частоты без применения специальных выключающих устройств низкая, так как при пропадании эталонной частоты ГУН генерирует колебания с частотной ошибкой ±Δf_{г ст}.

3. Возможность автоматической перестройки и дистанционного управления обеспечивается, но их осуществление более сложно, чем в пассивных синтезаторах из-за необходимости при каждой перестройке свипировать частоту ГУН.

4. Время, необходимое на перестройку с одной частоты на другую, велико и определяется как временем свипирования ГУН, так и весьма большой постоянной времени кольца ЧАП.

5. Шаг дискретности выходных частот не может быть сделан сколь угодно малым. Он, по крайней мере, ограничен погрешностью частоты.

6. Система обеспечивает хорошее подавление побочных составляющих как за счет последовательного понижения частоты, так и за счет очень узкополосного фильтра, каковым является кольцо ЧАП. Поэтому требования к селективности фильтров в декадах невысоки.

7. Шумовые характеристики системы определяются шумовыми характеристиками ГУН и, следовательно, как правило, не могут быть достаточно высокими.

8. Система имеет крайне большую нестабильность выходной частоты (порядка 10^-4), которая не уменьшается при увеличении стабильности эталонной частоты (достаточно 10^-5). Этот основной недостаток не дает возможности применять ЧАП в декадах и приводит к тому, что введение ЧАП не устраняет "пораженных точек" в диапазоне из-за статизма системы [28]. Поэтому устройства с ЧАП не нашли широкого применения в системах ДКСЧ, особенно последних годов выпуска.

Для применения рассмотренного метода в СВЧ диапазоне нет никаких принципиальных препятствий или специфических трудностей.