704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

Типовое внутреннее устройство кварцевого генератора опорной частоты XO показано на рисунке 2.104.

Рисунок 2.104. Внутреннее устройство кварцевого генератора XO

Внастоящее время в состав генераторов XO включают цепь фазовой автоподстройки, как в синтезаторах частоты. Это позволяет значительно снизить уровень фазовых шумов и джиттер выходного сигнала. Кроме того таким образом расширяется диапазон возможных частот в сторону высоких частот. Подробно как работают цепи фазовой автоподстройки частоты мы рассмотрим позднее.

Вкачестве отдельного варианта кварцевого генератора рассматривают генераторы с возможностью подстройки частоты. Их называют VCXO – кварцевые генераторы, управляемые напряжением. Одна из возможных схем подобного генератора приведена на рисунке 2.105.

+Uп

Рисунок 2.105. Схема кварцевого генератора VCXO

Как мы уже обсуждали ранее, для целей устройств связи стабильности частоты 10–5 недостаточно. В то же самое время температурная зависимость кристалла хорошо известна (см. рисунок 2.98). Поэтому были разработаны термо-

141

компенсированные опорные генераторы TCXO. Простейшие версии TCXO выполнялись с применением терморезисторов по следующей схеме:

Рисунок 2.106. Схема опорного термокомпенсированного кварцевого генератора TCXO

В современных версиях этих генераторов ставится датчик температуры и микроконтроллер с таблицей зависимости напряжения, которое нужно выдать на варикап VCXO от температуры. В результате можно получить нестабильность по частоте до 0,5 10-6 или 0,5 ppm. На рисунке 2.107 приведен примерный вид температурной зависимости генератора TCXO.

Рисунок 2.107. Типовая температурная зависимость ухода частоты при температурной компенсации

Подобные опорные генераторы немного дороже простых кварцевых генераторов, но при этом они размещаются в точно таких же корпусах микросхем, как и генераторы XO.

Может возникнуть вопрос: а почему бы не выполнить компенсацию точнее? Дело в том, что стабильность частоты зависит не только от температуры. Частота кварцевого резонатора меняется после удара, очередного включения генератора, вибрации и т. д. Кроме того, температурная зависимость резонансной частоты обладает гистерезисом. Все эти факторы не позволяют получить нестабильность частоты TCXO лучше 0,5 ppm.

Одним из факторов, которые не позволяют осуществить точную компенсацию ухода частоты является то, что измеряется температура не кварцевого кристалла, а объема внутри микросхемы кварцевого генератора. В 1982 году был открыт процесс, позволяющий измерять температуру непосредственно кварцевого кристалла. Выяснилось, что частота основного колебания кварцевого ре-

142

зонатора и частота его третьей гармоники при изменении температуры отличаются. График изменения разностной частоты этих колебаний представлен на рисунке 2.108.

Рисунок 2.108. Температурная зависимость ухода разностной частоты при изменении температуры

Эту частоту можно измерить обычным цифровым счетчиком и использовать для коррекции частоты. Структурная схема кварцевого генератора с микроконтроллерной компенсацией частоты приведена на рисунке 2.109.

Цифровой

счетчик

Рисунок 2.109. Схема кварцевого генератора MCXO

На данной схеме разностная частота выделяется на выходе смесителя частот и поступает на цифровой счетчик, который определяет температуру кристалла. Микроконтроллер вычисляет необходимое смещение частоты и подает на вход микросхемы прямого цифрового синтеза DDS необходимый код частоты. Частоту с выхода DDS уже можно использовать в качестве выходной, однако для окончательной очистки выходного колебания от нежелательных спектральных компонент применяется схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, в составе которой применяется кварцевый генератор с подстройкой напряжением VCXO, который подстраивается под частоту DDS.

143

Генераторы MCXO позволяют получить стабильность частоты до 2 10–8, что соизмеримо с стабильностью термостабилизированных генераторов OCXO. При этом стоимость, потребляемая энергия и габариты MCXO значительно меньше.

Теперь рассмотрим изменение частоты кварцевого генератора при воздействии на него не только температуры, но и других факторов, влияющих на его частоту. Пример изменения частоты опорного генератора с течением времени приведен на рисунке 2.110.

Рисунок 2.110. Изменение частоты кварцевого генератора при воздействии на него различных факторов

Именно поэтому были разработаны термостабилизированные кварцевые генераторы OCXO. Стабилизировать температуру генератора легче всего при повышенной температуре. Тогда охлаждение будет происходить просто за счет передачи тепла окружающей среде. Конкретная температура, которую следует стабилизировать определяется углом среза кварцевого кристалла. Для AT-среза это 70ºC.

Однако специально для термостабилизированных кварцевых генераторов в 1976 году был разработан особый срез кварцевого кристалла, обладающий улучшенными характеристиками. Он получил название CS-срез (stress compensated – срез с компенсацией напряжений в кристалле). Этот срез получается двойным поворотом относительно кристаллографических осей, как это показано на рисунке 2.111.

144

Z

=34,11°

=34,11°

Y

=21,93°

X

Рисунок 2.111. Расположение пластинки CS-среза относительно кристаллографических осей кварцевого кристалла

Сравнение температурных характеристик этих срезов кристалла приведено на рисунке 2.112.

Рисунок 2.112. Температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов AT и CS срезов

На данном рисунке отчетливо видно, что AT срез однозначно превосходит в широком диапазоне температур, однако в узком интервале температур в районе 92ºC уход частоты у CS среза будет меньше, а именно это и требуется для теромостабилизированных кварцевых генераторово TCXO. Более точные графики в диапазоне температур от 60 до 100ºC приведены на рисунках 2.113 и 2.114.

145

ми 36 27 18,8 мм. Внешний вид подобного отечественного опорного генератора ГК193-ТС приведен на рисунке 2.115.

Рисунок 2.115. Внешний вид термостабилизированного кварцевого генератора OCXO

Цепи фазовой подстройки частоты

В предыдущих главах мы выяснили, что есть два типа генераторов: перестраиваемые генераторы с низкой стабильностью частоты и опорные генераторы, обладающие высокой стабильностью частоты, но работающие при этом на одной частоте. Объединить преимущества этих двух типов генераторов позволяют синтезаторы частот. Наиболее распространенной в настоящее время схемой синтезатора частот стала схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Рассмотрим основные блоки, входящие в структурную схему фазовой автоматической подстройки частоты. Её схема приведена на рисунке 2.116.

Рисунок 2.116. Структурная схема цепи фазовой автоподстройки частоты

Всостав структурной схемы входит фазовый детектор (ФД), формирующий сигнал ошибки формируемого колебания. Выходное колебание вырабатывается генератором, управляемым напряжением (ГУН). Образцовое колебание в этой схеме формирует опорный генератор (ОГ). Еще одним неотъемлемым звеном цепи фазовой автоподстройки частоты является фильтр нижних частот (ФНЧ), позволяющий избежать самовозбуждения всей схемы в целом.

Взависимости от элементов, использованных в схеме фазовой автоподстройки частоты, она может быть аналоговой (при использовании аналоговых схем фазового детектора), цифровой (при использовании в качестве фазового детектора логических цепей) и полностью цифровой (при реализации фильтра низкой частоты в цифровом виде).

Врезультате работы схемы, приведенной на рисунке 2.116, мы в идеальном случае можем получить точно такое же колебание, что и колебание опор-

147

ного генератора. Но тогда зачем нужна вся схема? Ведь можно было бы просто взять сигнал с выхода опорного генератора.

Первая задача, которую можно решить при использовании схемы фазовой автоматической подстройки частоты – это реализация детектирования частот- но-модулированного сигнала. Если снимать напряжение с выхода ФНЧ, входящего в состав схемы фазовой автоподстройки частоты, то его уровень будет пропорционален отклонению частоты опорного генератора от номинального значения.

В схеме MCXO, которую мы рассматривали на рисунке 2.109, схема ФАПЧ позволила нам получить высококачественное выходное колебание, которое формировал нам ГУН со стабильностью темостатированного кварцевого генератора.

Однако в гетеродине мы собирались использовать схему ФАПЧ для генерации заданного набора частот. Для этого нам нужно научиться изменять выходную частоту (частоту ГУН). Включим в цепь обратной связи цифровой делитель частоты, как это показано на рисунке 2.117.

fоп ДПКД

Рисунок 2.117. Структурная схема цифрового синтезатора частот

Частота сигнала на выходе этого делителя уменьшится по сравнению с входным значением в коэффициент деления раз. Но ведь схема фазовой автоподстройки частоты будет поддерживать значения частот на входах фазового детектора равными друг другу. Это означает, что частота на выходе ГУН под действием цепи автоматической подстройки должна будет увеличиться в коэффициент деления раз относительно частоты опорного колебания.

Вструктурной схеме, приведенной на рисунке 2.117, использован делитель

спеременным коэффициентом деления (ДПКД). Изменяя коэффициент деления N делителя ДПКД, можно перестраивать выходную частоту генератора. Коэффициент деления цифрового делителя частоты может достигать несколько ты-

сяч. Выбрав достаточно низкую опорную частоту fоп можно получить шаг перестройки синтезатора, удовлетворяющий требованиям к перестраиваемому генератору частот. Шаг перестройки синтезатора в схеме ФАПЧ получается равным частоте опорного генератора.

Обычно в радиотехнических схемах требуется малый шаг перестройки генератора. Величина этого шага составляет сотни герц или, в крайнем случае, единицы килогерц. В результате возникает новая проблема. Мы не можем использовать для формирования такой частоты опорные генераторы, рассмотрен-

148

ные ранее ведь наиболее распространенные частоты этих генераторов лежат в диапазоне от 1 до 20 МГц.

Тем не менее, для получения низкой частоты сравнения на входах фазового детектора, на выходе опорного генератора можно поставить еще один цифровой делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, как это выполнено в схеме, приведенной на рисунке 2.118. В этой схеме мы можем выбирать значения частот сравнения fср, опорной частоты fоп и выходного колебания f в достаточно широком диапазоне.

fср ДПКД

Рисунок 2.118. Структурная схема цифрового синтезатора частот

смалым шагом перестройки частоты

Вкачестве примера давайте определим требования к блокам, входящим в структурную схему синтезатора, вырабатывающего частоты в диапазоне от 146

до 174 МГц. Пусть в схеме будет использован генератор опорной частоты 10 МГц. Такие высокостабильные генераторы предлагаются многими фирмами в качестве готовых модулей, например модуль 10 MHz CFPT9006FX1BP1LF10M4 фирмы RACON.

Шаг перестройки по частоте в заданном диапазоне частот определяется разносом радиоканалов по частоте. В настоящее время в этом диапазоне частот МККР рекомендует строить аппаратуру с разносом каналов 12,5 кГц. Пусть наш синтезатор частот будет обладать именно таким шагом настройки частоты. Тогда частота сравнения на входе фазового детектора тоже должна соответствовать этому значению. Отсюда можно определить коэффициент деления постоянного делителя ПД:

149

Микросхемы синтезаторов частот в настоящее время производятся многими фирмами. В качестве примера можно назвать микросхемы ADF4351 фирмы Analog devises, 1508ПЛ9Т отечественной фирмы ОАО НПЦ «ЭЛВИС». Синтезаторы частот входят в состав более сложных микросхем, таких как микросхема цифрового приемники AD9874 или цифрового передатчика AD9856.

Пример принципиальной схемы синтезатора частоты, выполненный на микросхеме AD4355-2, приведен на рисунке 2.119.

Рисунок 2.119. Принципиальная схема цифрового синтезатора частот

На данной схеме с целью упрощения не показаны фильтрующие конденсаторы на выводах питания, однако они обязательно должны присутствовать в схеме. В схеме ФАПЧ, показанной на рисунке 2.118, присутствует фазовый детектор. Рассмотрим его работу подробнее.

150