RU2081510C1

RU2081510C1 - Frequency synthesizer

Info

Publication number: RU2081510C1
Application number: RU93030307A
Authority: RU
Inventors: Валерий Измаилович Закиров; Игорь Валерьевич Закиров
Original assignee: Валерий Измаилович Закиров; Игорь Валерьевич Закиров
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1997-06-10

Abstract

FIELD: radio engineering, in particular, generation of reference frequency grid in receivers and transmitters. SUBSTANCE: device has reference oscillator 1, first tuned oscillator 2, controlled frequency divider 3, first phase detector 4, first low-pass filter 5, second tuned oscillator 6, second phase detector 7, second low-pass filter 8, non-inverting adder 9, frequency setting unit 10, OR gate 11, memory unit 12 and pulse generator 13. EFFECT: decreased frequency modulation of output voltage. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для генерирования сетки стабильных частот. The invention relates to radio engineering and can be used in radio receivers and radio transmitting devices for generating a grid of stable frequencies.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является синтезатор частот содержащий два кольца фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор, блок управления частотой и формирователь импульсов. Closest to the proposed device in technical essence is a frequency synthesizer containing two rings of phase-locked loop, a reference generator, a frequency control unit and a pulse shaper.

Известное устройство содержит соединенные в кольцо первый перестраиваемый генератор, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый фазовый детектор и первый фильтр нижних частот, последовательно соединенные второй перестраиваемый генератор, второй фазовый детектор, второй фильтр нижних частот и опорный генератор, а также блок установки частот, первый выход которого подключен к установочному входу первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, и формирователь импульсов, при этом выход второго перестраиваемого генератора является выходом синтезатора частот. The known device comprises a first tunable oscillator connected to a ring, a first variable frequency divider, a first phase detector and a first low-pass filter, a second tunable generator, a second phase detector, a second low-pass filter and a reference oscillator, as well as a frequency setting unit the first output of which is connected to the installation input of the first frequency divider with a variable division coefficient, and a pulse shaper, while the output of the second the generator being used is the output of the frequency synthesizer.

Недостатками описанного синтезатора являются недостаточное быстродействие, излишняя сложность электрической схемы и недостаточное подавление паразитной частотной модуляции выходного сигнала. The disadvantages of the synthesizer described are insufficient speed, excessive complexity of the electrical circuit and insufficient suppression of spurious frequency modulation of the output signal.

Рассмотрим работу синтезатора частот, выбранного в качестве прототипа. Второй перестраиваемый генератор (ПГ) настраивается на сумму частот датчика опорных частот (ДОЧ) и датчика крупной сетки частот, образованного последовательно включенными первыми перестраиваемым генератором (ПГ), делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), фазовым детектором (ФД) и фильтром нижних частот (ФНЧ). При этом последовательным перебором частот ДОЧ перекрывается частотный интервал, определяемый шагом сетки датчика крупной сетки частот. Следовательно, частота ДОЧ намного меньше частоты, формируемой первым ПГ, и тем более меньше частоты, формируемой вторым ПГ. Второй ФД сравнивает частоты, поступающие с выхода ДОЧ и с выхода полосового фильтра (ПФ). В режиме синхронизации эти частоты равны. В выходном напряжении второго ФД будут содержаться составляющие частоты ДОЧ и ее гармоник. Если гармоники могут быть подавлены вторым ФНЧ, то основная частота, равная частоте ДОЧ, поступает на управляющий вход второго ПГ и вызывает паразитную частотную модуляцию его сигнала. Ослабить паразитную модуляцию, которая происходит с весьма низкой частоты, путем увеличения постоянной времени второго ФНЧ возможно лишь за счет уменьшения полосы захвата второго кольца фазовой автоподстройки (ФАПЧ), что недопустимо. Consider the work of a frequency synthesizer selected as a prototype. The second tunable generator (PG) is tuned to the sum of the frequencies of the reference frequency sensor (DOC) and the large frequency grid sensor formed by the first tunable generator (PG) sequentially connected, a frequency divider with a variable division coefficient (DPC), a phase detector (PD) and a lower filter frequencies (low-pass filter). In this case, a sequential search of the frequencies of the DOCH overlaps the frequency interval determined by the grid spacing of the sensor of the large frequency grid. Therefore, the frequency of the DOC is much less than the frequency generated by the first GHG, and even less than the frequency generated by the second GHG. The second PD compares the frequencies coming from the output of the DOCH and the output of the band-pass filter (PF). In synchronization mode, these frequencies are equal. The output voltage of the second PD will contain the components of the frequency of the DOCH and its harmonics. If harmonics can be suppressed by the second low-pass filter, then the fundamental frequency equal to the frequency of the DOF is fed to the control input of the second GHG and causes spurious frequency modulation of its signal. To weaken the parasitic modulation that occurs from a very low frequency by increasing the time constant of the second low-pass filter is possible only by reducing the capture band of the second phase-locked loop (PLL), which is unacceptable.

Формирователь сигналов грубой установки частоты (ФСГУЧ) представляет собой разновидность преобразователя код-напряжение. Напряжение постоянного тока, формируемое ФСГУЧ, отличается от требуемого значения на величину, определяемую весовым содержанием единицы младшего разряда кода, поступающего на вход ФСГУЧ, а требуется такое напряжение, под действием которого начальная расстройка второго ПГ будет отличаться от частоты синхронизации не более, чем на полосу захвата второго кольца ФАПЧ. Следовательно, в прототипе всегда имеет место большая или меньшая начальная расстройка второго ПГ, что вызывает увеличение времени установления синхронизации, а следовательно, снижает быстродействие синхронизатора. The coarse frequency generator (FSGUCH) is a type of code-voltage converter. The DC voltage generated by the FSGUCH differs from the required value by an amount determined by the weight content of a unit of the least significant bit of the code supplied to the input of the FSGUCH, and a voltage is required under which the initial detuning of the second PG will not differ from the synchronization frequency by more than a strip capture of the second PLL ring. Therefore, in the prototype there is always a greater or lesser initial mismatch of the second GHG, which causes an increase in the time to establish synchronization, and therefore, reduces the speed of the synchronizer.

В прототипе весьма громоздко построена цепь управления частотой. Для перехода с одной частоты на другую под действием кода, поступающего с выходом блока установки частот (БУЧ), необходимо перестроить первый и второй ДПКД, а также ДОЧ. К тому же в цепь выходного кольца ФАПЧ включены ПФ и смеситель (СМ), что снижает надежность устройства из-за ухудшения условий вхождения в синхронизм выходного контура ФАПЧ. In the prototype, the frequency control circuit is very cumbersome. To switch from one frequency to another under the action of a code supplied with the output of the frequency setting unit (BEACH), it is necessary to rebuild the first and second DPKD, as well as the DOCH. In addition, the PF and the mixer (SM) are included in the PLL output ring circuit, which reduces the reliability of the device due to the deterioration of the conditions for entering the synchronism of the PLL output circuit.

В синтезаторе частот по данному изобретению решается техническая задача
ослабление частотной модуляции выходного напряжения.The frequency synthesizer according to this invention solves the technical problem.
attenuation of the frequency modulation of the output voltage.

На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого синтезатора частот; на фиг. 2 эпюры напряжений на выходе функционально законченных узлов синтезатора частот. Figure 1 shows a functional diagram of the proposed frequency synthesizer; in FIG. 2 voltage plots at the output of functionally completed nodes of the frequency synthesizer.

Предлагаемый синтезатор частот содержит опорный генератор 1, первый перестраиваемый генератор 2, делитель 3 частоты с переменным коэффициентом деления, первый фазовый детектор 4 и первый фильтр 5 нижних частот, второй перестраиваемый генератор 6, второй фазовый детектор 7, второй фильтр 8 нижних частот, неинвертирующий сумматор 9, блок 10 установки частот, элемент ИЛИ 11, блок 12 выборки-хранения и формирователь 13 импульсов. Выход второго перестраиваемого генератора является выходом синтезатора частот. The proposed frequency synthesizer contains a reference generator 1, a first tunable generator 2, a frequency divider 3 with a variable division coefficient, a first phase detector 4 and a first lowpass filter 5, a second tunable generator 6, a second phase detector 7, a second lowpass filter 8, a non-inverting adder 9, a frequency setting unit 10, an OR element 11, a sample-storage unit 12, and a pulse shaper 13. The output of the second tunable generator is the output of the frequency synthesizer.

Предлагаемый синтезатор частот работает следующим образом. The proposed frequency synthesizer operates as follows.

Первый перестраиваемый генератор 2, делитель 3, первый фазовый детектор 4 и первый фильтр 5 образуют первое кольцо автоподстройки частоты. Под действием напряжения оперной частоты, поступающего с выхода опорного генератора 1 (фиг.2а) на второй вход первого фазового детектора 4, первое кольцо автоподстройки частоты, выходом которого является выход первого перестраиваемого генератора 2, генерирует напряжение, частота которого в N раз больше опорной частоты, где N коэффициент деления делителя 3. Значение N устанавливается с помощью n-разрядного цифрового кода, поступающего с первого выхода блока 10 установки частот на установочные входы делителя 3. На входе первого фазового детектора 4 образуется последовательность импульсов прямоугольной формы положительной полярности (фиг.2б). Период повторения этих импульсов равен периоду опорной частоты. Постоянная составляющая U= последовательности импульсов, возникающая на входе первого фильтра 5 нижних частот (фиг.2в), является управляющим напряжением для первого перестраиваемого генератора 2. Наряду с постоянной составляющей на входе первого фильтра 5 возникает переменная составляющая U≈, вызывающая паразитную частотную модуляцию входного напряжения первого перестраиваемого генератора 2. The first tunable generator 2, the divider 3, the first phase detector 4 and the first filter 5 form the first frequency lock ring. Under the action of the voltage of the operating frequency coming from the output of the reference generator 1 (Fig. 2a) to the second input of the first phase detector 4, the first frequency lock ring, the output of which is the output of the first tunable generator 2, generates a voltage whose frequency is N times the reference frequency , where N is the division coefficient of the divider 3. The value of N is set using the n-bit digital code from the first output of the frequency setting unit 10 to the installation inputs of the divider 3. At the input of the first phase detector 4 is formed and a sequence of pulses of positive polarity rectangular shape (2b). The repetition period of these pulses is equal to the period of the reference frequency. The constant component U = pulse train arising at the input of the first low-pass filter 5 (Fig.2c) is the control voltage for the first tunable generator 2. Along with the constant component at the input of the first filter 5, a variable component U≈ arises, causing parasitic frequency modulation of the input voltage of the first tunable generator 2.

При смене кода, поступающего с первого выхода блока 10 установки частот, одновременно со второго выхода этого блока через элемент ИЛИ 11 на управляющий вход блока 12 поступает одиночный импульс, под действием которого в блоке 12 происходит запоминание мгновенного значения уровня напряжения на выходе первого фильтра 5 нижних частот. По окончании действия этого импульса блок 12 выборки-хранения переходит в режим хранения информации. When changing the code coming from the first output of the frequency setting block 10, at the same time, from the second output of this block through the OR element 11, a single pulse arrives at the control input of block 12, under the action of which, in block 12, the instantaneous value of the voltage level at the output of the first filter 5 lower frequencies. At the end of this pulse, the sampling-storage unit 12 switches to the information storage mode.

Так как смена кода в блоке 10 установки частот может происходить достаточно редко, а постоянная времени блока 12 выборки-хранения имеет большое, но все же конечное значение, то напряжение на выходе блока 12 в промежутках времени между сменами кода уменьшается. Это явление в значительной степени устраняется с помощью формирователя 13 импульсов, который генерирует дополнительный одиночный импульс по заднему фронту напряжения на выходе первого фазового детектора 4 (фиг.2г). Под действием этого импульса, поступающего на второй вход элемента ИЛИ 11 и далее на управляющий вход блока 12, последний запоминает напряжение, соответствующее максимальному значению напряжения на выходе первого фильтра 5. По существу происходит периодическая с опoрной частотой подпитка элементов памяти блока 12 выборки-хранения. Эта подпитка обеспечивает постоянство напряжения на выходе блока 12 выборки-хранения независимо от того, с какой частотой происходит смена кода в блоке 10 установки частот. Since the code change in the frequency setting block 10 can occur rather rarely, and the time constant of the sampling-storage block 12 has a large, but still finite value, the voltage at the output of the block 12 in the time intervals between code changes decreases. This phenomenon is largely eliminated using the pulse shaper 13, which generates an additional single pulse on the trailing edge of the voltage at the output of the first phase detector 4 (Fig.2g). Under the influence of this pulse, which is fed to the second input of the OR element 11 and then to the control input of block 12, the latter remembers the voltage corresponding to the maximum voltage value at the output of the first filter 5. Essentially, the memory elements of the sampling-storage block 12 are periodically fed with a reference frequency. This make-up ensures that the voltage at the output of the sampling-storage unit 12 is constant regardless of how often the code changes in the frequency setting unit 10.

Как уже отмечалось, напряжение на выходе первого перестраиваемого генератора 2 подвержено значительной паразитной частотной модуляции (фиг.2д). При этом изменяется мгновенное значение частоты первого перестраиваемого генератора 2, а среднее значение по-прежнему в N раз превышает опорную частоту. Эта модуляция в значительной степени подавляется во втором кольце автоподстройки частоты, образованном вторым перестраиваемым генератором 6, вторым фазовым детектором 7, вторым фильтром 8 и неинвертирующим сумматором 9, и выполняющим функцию узкополосного автоматически перестраиваемого полосового фильтра, настроенного на частоту выходного напряжения синтезатора. As already noted, the voltage at the output of the first tunable generator 2 is subject to significant spurious frequency modulation (fig.2d). This changes the instantaneous frequency value of the first tunable generator 2, and the average value is still N times higher than the reference frequency. This modulation is largely suppressed in the second auto-tuning ring formed by the second tunable oscillator 6, the second phase detector 7, the second filter 8 and the non-inverting adder 9, and acting as a narrow-band automatically tunable band-pass filter tuned to the frequency of the synthesizer output voltage.

Напряжение с выхода блока 12 почти без потерь через неинвертирующий сумматор 9 поступает на управляющий вход второго перестраиваемого генератора 6. Это напряжение практически не содержит в себе переменной составляющей с частотой опорного генератора 1, как это имеет место в первом кольце автоподстройки. Это обусловлено, как уже отмечалось выше, периодической подпиткой элементов памяти блока 12. При отключенном втором фильтре 8 нижних частот под действием напряжения, поступающего на управляющий вход второго перестраиваемого генератора 6, последний наращивает частоту колебаний от частоты собственных колебаний, соответствующих отсутствию управляющего напряжения, до частоты достаточно близкой к частоте первого перестраиваемого генератора 2. При замыкании второго кольца автоподстройки в последнем наступает переходный процесс вхождения в синхронизм второго перестраиваемого генератора 6. Второй фазовый детектор 7 сравнивает частоты сигналов, поступивших с выходов обоих генераторов. На выходе второго фазового детектора 7 возникает последовательность импульсов положительной полярности, период повторения которых равен периоду синтезируемой частоты (фиг.2е). При этом имеет место незначительное изменение скважности импульсов из-за того, что напряжение, поступающее на второй вход второго фазового детектора 7, подвержено значительной паразитной частотной модуляции. Однако в силу селектирующих свойств второго фазового детектора 7 и второго фильтра 8 вредное влияние частотной модуляции будет сильно ослаблено. В относительных единицах это ослабление примерно равно установленному значению коэффициента деления N. На выходе второго фильтра 8 возникает напряжение, у которого переменная составляющая ничтожно мала по сравнению с постоянной составляющей (фиг.2ж). Это напряжение поступает на второй вход неинвертирующего сумматора 9, где суммируется с постоянным напряжением, поступающим на первый вход того же неинвертирующего сумматора 9. Под действием напряжения, поступающего с выхода неинвертирующего сумматора 9 на управляющий вход второго перестраиваемого генератора 6, во втором кольце автоподстройки наступает синхронизация. The voltage from the output of block 12 is almost lossless through a non-inverting adder 9 to the control input of the second tunable generator 6. This voltage practically does not contain a variable component with the frequency of the reference generator 1, as is the case in the first auto-tuning ring. This is due, as already noted above, to periodically energize the memory elements of unit 12. When the second filter is turned off 8 low frequencies under the action of the voltage supplied to the control input of the second tunable generator 6, the latter increases the oscillation frequency from the frequency of natural oscillations corresponding to the absence of control voltage to frequency close enough to the frequency of the first tunable generator 2. When the second ring of auto-tuning in the last closes, the transition process of entering the synchronism of the second tunable generator 6. The second phase detector 7 compares the frequencies of the signals received from the outputs of both generators. At the output of the second phase detector 7, a sequence of pulses of positive polarity arises, the repetition period of which is equal to the period of the synthesized frequency (Fig.2e). In this case, there is a slight change in the duty cycle of the pulses due to the fact that the voltage supplied to the second input of the second phase detector 7 is subject to significant spurious frequency modulation. However, due to the selective properties of the second phase detector 7 and the second filter 8, the harmful effects of frequency modulation will be greatly attenuated. In relative units, this attenuation is approximately equal to the established value of the division coefficient N. At the output of the second filter 8, a voltage arises for which the variable component is negligible compared to the constant component (FIG. 2g). This voltage is supplied to the second input of the non-inverting adder 9, where it is summed with a constant voltage supplied to the first input of the same non-inverting adder 9. Under the action of the voltage coming from the output of the non-inverting adder 9 to the control input of the second tunable generator 6, synchronization occurs in the second auto-tuning ring .

Как уже отмечалось, начальная расстройка второго перестраиваемого генератора 6 ничтожно мала и может быть установлена путем изменения коэффициента передачи неинвертируюшего сумматора 9 с достаточной точностью. Это обстоятельство позволяет сузить полосу захвата второго кольца автоподстройки путем изменения постоянной времени второго фильтра 8 нижних частот. Уменьшение полосы захвата повышает селектирующие свойства второго кольца автоподстройки, что обеспечивает использование второго кольца автоподстройки в режиме узкополосного следящего фильтра. По этой причине напряжение на выходе второго перестраиваемого генератора имеет вид меандра с сильно подавленной паразитной частотной модуляцией (фиг. 2г). As already noted, the initial detuning of the second tunable generator 6 is negligible and can be established by changing the transfer coefficient of the non-inverting adder 9 with sufficient accuracy. This circumstance makes it possible to narrow the capture band of the second auto-tuning ring by changing the time constant of the second low-pass filter 8. Reducing the capture band increases the selective properties of the second auto-tuning ring, which ensures the use of the second auto-tuning ring in the narrow-band servo filter mode. For this reason, the voltage at the output of the second tunable generator has the form of a meander with strongly suppressed spurious frequency modulation (Fig. 2d).

Claims

A frequency synthesizer comprising a first tunable oscillator connected to a ring, a first variable frequency divider, a first phase detector and a first low-pass filter, a second tunable generator, a second phase detector and a second low-pass filter, a reference oscillator, and an installation unit frequency, the first output of which is connected to the installation input of the first frequency divider with a variable division coefficient, and a pulse shaper, while the output of the second the generator to be generated is the output of the frequency synthesizer, characterized in that an OR element, a sampling-storage unit and a non-inverting adder are introduced, the first input of which is connected to the output of the sampling-storage unit, while the second output of the frequency setting unit is connected to the first input of the OR element, the second input which is connected to the output of the pulse shaper, the input of which is connected to the output of the first phase detector, the input of the sample-storage unit is connected to the output of the first low-pass filter, the output of the OR element is connected to To the input of the sampling-storage unit, the control input of the second tunable generator is connected to the output of the non-inverting adder, the second input of which is connected to the output of the second low-pass filter, the second input of the second phase detector is connected to the output of the first tunable generator, and the output of the reference generator is connected directly to the second input first phase detector.