1.9. Метод с цифровой ЧАП

Стремление к миниатюризации устройств ДКСЧ, к упрощению их функциональных схем и широкое внедрение счетной техники практически во все области радиотехники привели к появлению систем ДКСЧ с применением цифровой ЧАП (ЦЧАП) [81], [95], [97], [100]. В основу работы этих систем положен метод измерения частоты генератора плавного диапазона счетчиковым частотомером и уменьшения частотной ошибки путем автоподстройки генератора.

В наиболее общем виде структурная схема устройства, основанного на этом методе, изображена на рис. 1.11. Из колебаний опорного кварцевого генератора ГКО в формирователе импульсов ФИ₂ формируется последовательность импульсов с частотой следования f_q0, которая делится делителем частоты с фиксированным коэффициентом деления ДФКД на с_q (все эти элементы входят в состав МОЧ). Каждый импульс данной последовательности открывает клапан Кл и опрокидывает триггер T. Через клапан на счетчик начинают поступать импульсы, сформированные в ФИ₁ из колебаний ГУН. После того как на счетчик поступит определенное количество импульсов с ГУН, указанное в виде числа на счетчике, со всех декад последнего (предполагается декадный счетчик, хотя система счисления может быть любой другой) на схему "И" подаются импульсы и она срабатывает. При этом выходной импульс схемы "И" опрокидывает триггер Т и через схему сброса (СхСб), во-первых, запирает клапан и, во-вторых, сбрасывает показания счетчика. Этим завершается один цикл счета.

Рис. 1.11. Структурная схема системы ДКСЧ с цифровой ЧАП

Если заданное показаниями счетчика число импульсов ГУН пройдет на счетчик за время τ = c_q/2f_q0 то, очевидно, постоянная составляющая выходного напряжения триггера будет равна нулю. Если же заданное число импульсов пройдет на счетчик за время τ' < τ (частота ГУН больше номинального значения) или за время τ" > τ (частота ГУН меньше номинального значения), то на выходе фильтра нижних частот ФНЧ появится напряжение, которое, действуя через УПТ на ГУН, изменит частоту последнего в сторону уменьшения частотной ошибки.

Так как время τ изменяется только при изменении частоты ГУН, а начало каждого цикла счета задается ГКО, то описанная система является статической системой авторегулирования частоты, в которой роль частотного дискриминатора выполняет триггер. Следовательно, эта система представляет собой систему частотной автоподстройки частоты и принципиально должна давать ошибку по частоте, равную своему статизму. Не повторяя изложенного в § 1.6 (все парциальные нестабильности, указанные в § 1.6, имеют место и в этой системе, причем нестабильность нуля частотного дискриминатора здесь заменяется нестабильностями порога срабатывания и симметричности триггера), отметим только дополнительную общеизвестную ошибку, свойственную счетчиковым системам- ошибку в одну единицу счета ±ε. Очевидно, что эта ошибка должна быть меньше заданной абсолютной нестабильности частоты, т. е. ε Δf_{0 макс}. Отсюда число декад счетчика, показывающих разряды числа,

Характеристика логарифма показывает число полных декад, а ненулевая мантисса - наличие одной неполной декады (если ε ≠ 10^s, где s - целое число, то старшая декада - неполная). Величина ε показывает также разрешающую способность счетчика. Длительность одного периода счета, как очевидно,

Заметим, что если постоянную времени ФНЧ выбрать достаточно большой, то частотная ошибка, вносимая счетчиком, будет усредняться, но, вне зависимости от этого, средняя частота ГУН будет отстоять от номинального значения на величину статизма системы.

Следует отметить, что система работает так, как описано выше, при двух условиях: если погрешность частоты ГКО значительно меньше ε (Δf_q0 << ε), так, что в общей нестабильности она может не учитываться, и если быстродействие ФИ₁ и первой декады счетчика обеспечивают формирование импульсов и счет частоты f₀. Первое условие заставляет применять в системе ГКО более стабильный, чем это вытекает из требований к системе в целом. Поскольку счетчиковые частотомеры в настоящее время при непосредственном счете имеют быстродействие порядка 50 МГц, а формирователи импульсов имеют большее быстродействие, при стабилизации описываемым способом СВЧ, для выполнения второго условия, последнюю нужно предварительно делить либо гетеродинировать вниз.

Регенеративные и параметрические делители СВЧ, как правило, работают неустойчиво и лишь в узком диапазоне частот. Для уверенного деления частоты необходимо применять триггерные (цифровые) делители. Однако быстродействие последних в настоящее время не превышает 300-400 МГц. Поэтому необходимо применять гетеродинирование, и с учетом указанного выше быстродействия счетчика - гетеродинирование совместно с предварительным делением частоты при фиксированном коэффициенте деления. Даже с учетом этих усложнений устройство по сравнению с многодекадной системой оказывается значительно менее габаритным, более легким, состоящим из меньшего числа элементов и, следовательно, более надежным и более экономичным.

Однако система имеет целый ряд серьезных недостатков, вследствие чего она не применяется не только на СВЧ, но и в коротковолновом диапазоне, где из-за большей простоты является и более привлекательной. К ее недостаткам можно отнести следующее. Частоты ГУН и ГКО не находятся в кратном отношении. Поэтому появляющиеся квазинулевые биения (частоты биений близки к нулю, но не равны ему) приводят к тому, что коэффициент гармоничности колебаний на отдельных частотах оказывается весьма невысоким. Далее, при малых ε время счета τ получается большим и, следовательно, ФНЧ весьма узкополосным. Это приводит к очень малому быстродействию системы, отчего шумовые характеристики ее оказываются практически такими же, как у ГУН, не охваченного петлей автоподстройки, т. е. не всегда достаточно удовлетворительными. Погрешность выходных частот системы велика по следующим причинам: хотя коэффициент стабилизации ЦЧАП высок, но нестабильность характеристик триггера и цепи управления (включая УПТ) увеличивает статизм системы; для получения ошибки счетчика в одну единицу счета необходимо формировать выходные импульсы ФИ₂, схемы "И" и схемы сброса с достаточно крутыми фронтами; в противном случае, а также при нестабильности длительности фронтов импульсов частотная ошибка системы увеличивается. И, наконец, из-за наличия в системе ГУН достоверность частоты невысока.

Здесь не анализируется система с ЦЧАП на СВЧ, так как электрические характеристики последней остаются такими же плохими, как и у описанной простейшей (из-за того, что f₀ и f_q0 не находятся в кратном отношении, при гетеродинировании коэффициенты гармоничности выходных колебаний значительно ухудшаются), а усложнение системы из-за гетеродинирования увеличивает ее габариты, массу, потребление энергии и снижает надежность работы.