7. ГЕНЕРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ МСП

7.1. Назначение и основные требования

Генераторное оборудование (ГО) предназначено для формирования набора (сетки) стабильных высокочастотных колебаний, которые используются в про­цессе формирования групповых и линейных сигналов на передающей и при­емной сторонах аналоговых систем передач (АСП), а также для формирования служебных сигналов (групповых и линейных контрольных частот, сигналов синхронизации и т. д.)- Сигналы контрольных частот (пилот-сигналы) — это та­кие служебные сигналы, с помощью которых можно определять отклонение уровней полезных сигналов при изменении параметров линейных (групповых) трактов. Сигналы синхронизации предназначены для обеспечения синхронной работы генераторного оборудования передающей и приемной сторон, если собственной стабильности частоты задающих генераторов недостаточно. Сиг­налы, вырабатываемые ГО, должны отвечать ряду требований, важнейшим из которых является высокая стабильность частоты и уровня сигнала.

Первый параметр оценивают по величине абсолютной нестабильности ге­нератора , где — текущая частота,— номинальная частота, определяемая при проектировании. На практике более удобным показателем является относительная нестабильность частоты генератора

Рис. 5.1 Рис. 5.2

Высокая стабильность частоты нужна потому, что процесс формирования индивидуальных, групповых и линейных сигналов идет методом многократного преобразования частот (рис. 7.1). Такое многоступенчатое преобразование можно условно заменить однократным переносом частоты индивидуального сигнала в необходимую область частот линейного спектра с помощью одной виртуальной частоты (рис. 7.2). При этом

(5.1)

Нестабильность частот на любой ступени преобразования приводит к от­клонению частоты относительно номинального значения:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

7.2 Структурные схемы генераторного оборудования

Используют три основные схемы построения генераторного оборудования для формирования сетки частот. Первая основана на применении прямого син­теза частоты, когда любая требуемая частота получается в результате простей­ших арифметических операций (умножения, деления, сложения и вычитания) над колебаниями стабильной частоты задающего генератора и узкополосной фильтрации.

Операции умножения и деления выполняются с помощью специальных блоков — умножителей и делителей частоты, а операции сложения и вычита­ния — с помощью преобразователей частоты, подобных описанным в предыду­щей главе. Пример получения одной из частотметодом прямого синтеза час­тоты приведен на рис. 5.4, а, где блок / — ЗГ; 2 м 5— умножители частоты с коэффициентами умножения" ; блоки 3 и 4 — делители частоты с коэф­фициентами деления; блок 6 — преобразователь частоты; блок 7 — узко­полосный фильтр. На выходе фильтра получаем колебание с частотой, опре­деляемой из выражения

(5.2)

где— целые числа.

Как правило, полосовые фильтры приходится ставить также на выходах умножителей и делителей частоты. Иногда случается, что избирательность этих фильтров недостаточна и на выходе фильтра, кроме заданной частоты, напри­мер, появляются другие составляющие. В этом случае приходится приме­нять усложненную схему фильтрации, используя метод «двойного преобразова­ния частоты» (или метод «вычитания ошибок»), как показано на рис. 5.3, б. Здесь используются два преобразователя частоты 1, 3 и полосовой фильтр 2, который настроен на более низкую частоту и поэтому является

более узкополосным. Нестабильность источника частоты не сказывается на выходной частоте , так как она вычитается при повторном преобразова­нии в блоке 3.

Рис. 5.3

5. 3 Структурные схемы генераторного оборудования

При получении большого числа разных частот для упрощения структуры ГО объединяют ветви с одинаковыми частотами. Например, если от ЗГ с частотой= 36 кГц требуется получить частоты * = 20 кГц и,= 30 кГц, то, учитывая, что 20 = 36 : 9 • 5; 30 = 36 : 6, ■ 5, целесообразно строить ГО по схеме на рис. 7.5.

Рис.5.4

Непрямой метод синтеза частот подразумевает использование не одного; а нескольких автономных ЗГ, которые синхронизируются по основному гене­ратору с помощью устройств частотной (ЧАП) и фазовой (ФАПЧ) автоподстройки частоты. Для варианта с ФАПЧ (см. рис. 5.5) синхронизация генераторов 1 и 5 осуществляется с помощью делителей частоты 2, 6 и петли автоподстройки, которая содержит фазовый детектор (ФД) 3 и усили­тель сигнала ошибки 4. В установившемся
режиме частоты сигналов, поступающих на оба входа ФД 3 с делителей частоты, равны



Рис.5.5

и напряжение на выходе ФД 3 равно нулю (или постоянной величине). Тогда имеем

(5.3)

т. е. получаем такой же результат, как и при прямом синтезе (5.2). При уходе частоты генератора 5 на величину на выходе ФД 3 возникает сигнал ошибки с разностной частотой

,

который после усиления в блоке 4 поступает на управляющий элемент, включенный в схему генератора 5. В ка­честве такого элемента обычно используют варикап, который при изменении приложенного к нему напряжения смещения меняет свою емкость. При вклю­чении варикапа в колебательный контур генератора 5 можно таким образом изменять его частоту, подстраивая ее до номинального значения (5.3).

Достоинство непрямого метода синтеза частоты — возможность исключения умножителей частоты, которые являются сложными устройствами, требующими применения к тому же высокоизбирательных фильтров. Делители частоты, как будет показано ниже, гораздо проще в реализации, при i этом легче решается и проблема дискретной перестройки частоты fj. К недостаткам непрямого метода синтеза можно отнести сложность построения генератора 5, управляемого напряжением (ГУН), а также необходимость соблюдения ряда дополнительных требований, связанных с проблемой первоначальной синхронизации генераторов 7 и 5.

В современных ГО используется комбинированный метод построения, объединяющий прямой и непрямой методы синтеза частот, как показано, например, на рис. 7.7. Здесь блоки делителей частоты 2, 12 и умножителей 3, 13 обеспечивают получение частот от задающего генератора 1, как при прямом методе синтеза частот. Однако вследствие того, что спектр сигнала на выходе умножителей содержит не только полезные частоты, но и дру­гие компоненты, которые трудно отфильтровать пассивными электрическими фильтрами, в схему ГО введены дополнительные блоки 4—7 и 14—17. Они обеспечивают непрямой синтез частот , получаемых от ГУН 4 и 14 с помощью типовой схемы фазовой автоподстройки частоты. Каждый из генерато­ров 4, /4 синхронизируется только одним компонентом выходного сигнала ум­ножителя, частота которого близка к собственной частоте генерации. Таким образом, в данном случае схема ФАПЧ выполняет роль узкополосного фильт­ра. Фильтрация осуществляется за счет узкополосных ФНЧ 6 и 16, которые вы­деляют сигналы разностной частоты, образованной при воздействии на фазо­вый детектор 5 (или 15) колебаний близких частот с выхода умножителя и с выхода соответствующего автогенератора.

Рис. 5.7

Для получения требуемой частотыпри прямом синтезе частот применялся бы преобразователь (смеситель) частоты и узкопо­лосный фильтр. В схеме, приведенной на рис. 7.7, роль узкополосного фильтра выполняет совокупность блоков 9—11, 18 и 19, которые обеспечивают непря­мой синтез частоты. В такой схеме автогенератор 9 генерирует синусоидаль­ное колебание с частотой, близкой к требуемой . Это колебание поступает на преобразователь частоты 8, на выходе которого после полосового фильтра 10 выделяется сигнал разностной частоты, Она близка к частоте, генерируемой автогенератором 14. Точное совпадение частот обеспечивается за счет схемы автоподстройки, содержащей фазовый детектор 18, узкополосный ФНЧ 19 и усилитель сигнала ошибки 11. Напряжение с выхода этого усилителя по­ступает на ГУН 9 и изменяет его частоту до требуемого значения, соответственно увеличивается коэффициент передачи в цепи ОС и уменьшается коэффициент усиления БУ 2. Напряжение Uупр регулируется в зависимости от амплитуды напряжения на выходе БУ. Для этого используется цепь управ­ления, содержащая выпрямитель 3, фильтр нижних частот 4, схему сравнения 5 и усилитель сигнала ошибки 6. Такая схема стабилизации по принципу дей­ствия напоминает систему АРУ по КЧ (см. параграф 10.3) и обеспечивает по­стоянство выходного напряжения при действии различных дестабилизирующих факторов как в ЗГ, так и в БУ.

7.4 Умножители частоты

Умножители частоты (УЧ) предназначены для умножения частоты ЗГ в за­данное число раз. Используется несколько способов построения умножителей частоты:

1)  с помощью генератора гармоник и полосовой фильтрации;

2)  с помощью «захвата» частоты вспомогательного генератора;

3)  с помощью устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а так­ же их комбинации.

Генератором гармоник (ГГ) называется устройство, искажающее форму и спектр входного синусоидального сигнала (рис. 7.23, а) таким образом, чтобы в спектре выходного сигнала (рис. 7.23, б) появились новые гармоники. «Хорошим» ГГ считают такое устройство, которое при подаче на вход сигнала частотой образует на выходе много гармоник исходной составляющей, при­чем мощности этих гармоник примерно равны и достаточны для надежного выделения их с помощью полосовых фильтров (рис. 7.24). Простейшим ГГ яв­ляется усилитель-ограничитель, сигналы на входе и выходе которого показаны на рис. 7.25, а, б. Часто используют ГГ, в котором в качестве нелинейного эле­мента применяется нелинейная индуктивность (рис. 7.26). Для нее характерис­тика намагничивания, т. е. зависимость магнитной индукции В от напряжен­ности магнитного поля Я, имеет вид, показанный на рис. 7.27, а. Изменение индуктивности L от протекающего тока показано на рис. 7.27, б. В схеме ГГ (рис. 7.26) выбирают , поэтому ток через катушку имеет практически синусоидальную форму. Когда значение находится в пределах от до (рис. 7.27, б и рис. 7.28, а), выполняется условие и ток идет через конденсатор С, заряжая его. По мере заряда увеличивается , и при (или при индуктивность катушки резко падает,

Рис. 5.8 Рис. 5.9

Рис. 5.10 Рис. 5.11

теперь. , и конденсатор С начинает разряжаться, так как катушка закорачивает его через ре­зистор. На нагрузке появляются импульсы напряжения (рис. 7.28, б).

Рис. 7.12 Рис. 7.13

Рис. 7.14

В пер­вом приближении этот сигнал можно представить в виде последовательности

двухполярных коротких прямоугольных импульсов (рис. 7.29, а), спектр кото­рой нетрудно рассчитать (рис. 7.29, б). Основной недостаток такой схемы ГГ — отсутствие в спектре четных гармоник. Его можно устранить, введя в схему допол­нительно двухполупериодный выпрямитель (рис. 7.30, а). На выходе выпрямите­ля (точки б—б) имеем однополярные импульсы с периодом, в

два раза меньшим периода основной частоты (рис. 7.30, в).

Рис. 7.15

Эти импульсы содержат как четные, так и нечетные гармоники частоты 2ω0, и, следовательно, только четные гармони­ки частоты ω0- На выходе а—а (рис. 7.30, б) имеем только нечетные гармоники.

Как следует из рис. 7.30, полосовые фильтры, которые выделяют нечетные гармоники частоты , подключают параллельно (непосредственно или через развязывающие устройства) к выходам а—а, а полосовые фильтры (ПФ) чет­ных гармоник - к выходам б—б ГГ. Такое решение широко применяется в раз­личных типах аналоговых многоканальных систем передачи, при этом, как правило, ПФ выполняются на L С-элементах. Основной недос - таток умножите­ля частоты на основе такого ГГ - недостаточное затухание на выходе полосо­вого фильтра гармоники для соседних составляющих ) - й гармо­ник), что особенно заметно при больших значениях

Исключить данный недостаток позволяет второй способ построения УЧ. путем «захвата» частоты вспомогательного генератора. Эффект захвата частоты заключается в том, что если на автоколебательный генератор, работающий на частоте, подать сигнал с близкой частотой, то генератор «перескакивает» на нее и генерирует эту частоту (рис. 5.31, а). Такое слежение за частотой вход­ного воздействия осуществляется только в пределах достаточно узкой зоны захвата и при сравнительно большом входном напряжении . При невыполнении этих условий частота автогенератора скачком возвра­щается к первоначальному значению.

Рис. 7.16

Схема УЧ, построенная на использовании этого эффекта, показана на рис. 5.31, б. Здесь автогенераторы 4 и 5 настроены соответственно на частоты и, которые близки частотам р-й и к-й гармоник входной частоты При подаче на входы этих генераторов многочастотных колебаний с выходов полосовых фильтров 2 и 3 и при условии, что амплитуды компонентов на частотах являются преобладающими, происходит захват частоты автогенераторов (синхронизация частоты). Каждый из них начинает генерировать частоту захватывающего колебания.

В результате на выходе УЧ получается очень «чис­тый» спектр, который невозможно получить при типовом применении ГГ 1 и полосовых фильтров.

Третий вариант построения ум­ножителя частоты основан на при­менении вспомогательного генерато­ра, синхронизируемого с помощью схемы автоматической подстройки фазы и частоты (типовые сокращенные обозначения ФАПЧ или ФАЛ

Рис. 5.17

Структурная схема УЧ, построенная при помощи такого устройства, показана на рис. 5.32. В установившемся режиме частота вспомогательного генератора 2 точно в раз отличается от час­тоты задающего генератора 1, т. е., При этом на обоих входах фазового де­тектора (ФД) 4 частоты колебаний с точностью до фазы равны, поскольку дели­тель частоты 3 уменьшает частоту генератора ровно в раз. При «уходе» частоты или от своих номинальных значений на выходе ФД 4 возникает напряжение ошибки , которое можно записать в виде

(5.24)

Это напряжение проходит фильтр нижних частот 5, который пропускает разностные частоты в пределах от 0 до некоторого значения , усиливает­ся в усилителе постоянного тока 6 и поступает на управляемый элемент (обычно варикап) автогенератора 2. При этом изменяется частота этого генератора (он на­зывается «генератор, управляемый напряжением», или ГУН) до тех пор, пока не восстановится равенство'

На практике применяют все три рассмотренных варианта построения ум­ножителей частоты, при этом при малых значениях коэффициента умножения (не более 30) обычно используют более простой первый способ — на основе ГГ с полосовой фильтрацией. При необходимости получения очень больших зна­чений коэффициента умножения обычно применяют третий вариант — на ос­нове ФАПЧ.

7.5. Делители частоты

Делители частоты (ДЧ) предназначены для деления частоты в заданное число раз. Различают три основных класса ДЧ:

1) регенеративного типа;

2)  цифровые счетчикового типа;

3)  на основе схем ФАПЧ.

Регенеративные делители частоты строятся по схеме, показанной на рис. 5.33, где блок 1 — преобразователь частоты, 5 — умножитель частоты в раз, 2 и 4 — полосовые фильтры, 3 — выходной усилитель. Уравнение для частоты устано­вившихся колебании имеет вид

, (5.25)

где — целые числа. Соответственно коэффициент деления равен

. (5.26)

Возможны следующие варианты знаков в выражении для :

1..В этом случае. Видно, что, поэтому данный вариант неприемлем.

2.. В этом случае. Такой режим можно использо­вать в случае, когда

3..В этом случае. Данный вариант наиболее рас­пространен, так как при любых значенияхполучаем.

Таким образом, чаще строят регенеративные ДЧ по уравнению Рассмотрим частный случай, когда .

Тогда получим схему делителя частоты на два () (рис. 5.34).

Рис. 5.18 Рис. 5.19

Важным достоинством регенеративных делителей частоты является воз­можность получать не только целые, но и дробные значения. Это упрощает формирование группового сигнала, состоящего из основных и вспомогатель­ных компонентов (например, контрольных частот).

Подобные делители применялись очень широко до появления интеграль­ных логических микросхем, в основе которых лежит триггерная ячейка. Циф­ровые ДЧ, построенные на основе таких ячеек, называют делителями счетчикового типа (рис. 5.35). Из вре­менной диаграммы (рис. 5.36), показанной для отдельных точек этой схемы, видно, что каждый триггер делит

частоту на два. Общий коэффициент деления равен , где — число триггеров

Рис. 5.20

Для получения любого заданного значе­ния(но только целого) в цепочку тригге­ров вводят выбранные определенным обра­зом обратные связи (см. рис. 5.37). Коэффи­циент деления такой схемы рассчитывается по формуле

(5.27)

где N — общее число цепей обратной связи;— общее число триггеров;— номер каскада, на вход которого заводится ОС;— номер каскада, с выхода которого снимается ОС. Например, для схемы, приведенной на


Рис. 5.21

Имеем = 4, N= 2. При этом для, = 1 имеем =1,=2, а для = 2 соответственно =2, = 4. Тогда =2+)] = 10. Следовательно, такая схема обеспечивает деление частоты в 10 раз. Другой, часто используемый способ построения ДЧ счетчикового типа с про­извольным (но целым!) коэффициентом деления основан на использовании дешифратора кода (ДШ) (рис. 5.38). ДШ имеет входов и один выход, причем сигнал 1 на его выходе по­является только при условии поступления в счетчик строго определенного числа входных импульсов, которое в счетчике записыва­ется в виде определенного двоичного числа в параллельном коде. Подсчет импульсов происходит в естественном порядке счета, при этом на выходах триггеров формируются двоичные числа в параллельном коде вида

­

Рис. 5.22

00...0, 00..1, 00... 10 и т. д. Когда придет импульс с номером, равным , на выхо­дах счетчика образуется именно то число , на которое «настроен» дешифратор. Например, если =4 и =10, то = 1010. Сигнал с выхода ДЩ произведет принудительную установку всех разря дов счетчика в нулевое состояние, процесс повторится. На рис. 7.39, а в качестве примера построения такого делите­ля частоты изображена схема с = 3, которому соответствует двоичное число =11.

Рис. 5.23

При этом в качестве ДШ можно использовать двухвходовую схему «И». На рис. 7.39, б приведены соответствующие временные диаграм­мы на входе и выходе триггеров . В микроэлектронном исполнении имеется широкий выбор различных триггерных схем, с помощью которых можно построить и другие варианты ДЧ. Они приведены в специальной ли­тературе.

Рис. 5.24

Контрольные вопросы

Назначение и основные параметры генераторного обрудования. Структурная схема генераторного оборудования. Непрямой метод синтеза частот и его особенности. Комбинированный метод построения ГО. Умножители частоты. Делители частоты.