3. Функциональные узлы цифровых синтезатороворов с фап

3.1. Импульсно-фазовые детекторы

Импульсно-фазовые детекторы предназначены для преобразования разности времен (фаз) поступления импульсов на его входы с выходов ДПКДи ЭГв управляющее напряжение=(или ток). К основным характеристикам ИФД относятся:

а) статическая фазовая характеристика, описываемая функцией вида и представляющая зависимость постоянной составляющей выходного сигнала ИФД от ;

б) статический коэффициент передачи ИФД ;

в) уровень амплитуд гармоник в напряжении на выходе ИФД , где– круговая частота переменной составляющей сигнала на выходе ИФД в режиме синхронизма.

Рассмотрим ИФД, наиболее часто применяемые в синтезаторах.

Импульсно-фазовый детектор наRS-триггере является простейшим ИФД с пилообразной статической характеристикой. Осциллограммы напряжений, поясняющие работу этого ИФД, представлены на рис. 3.1, а.

Импульсы , поступающие на входтриггера, переводят его выходв состояние «лог. 1», а сигналы с выхода ДПКД, поступающие на вход, –в состояние «лог. 0». Таким образом, на выходе ИФД формируется сигнал ,

длительность которого пропорциональна временному сдвигу между моментами поступления импульсови. В режиме синхронизма, когда частоты сигналов на входахисовпадают и равны, изменение разности времен прихода импульсов от 0 доили разности фаз от 0 доприводит к изменению постоянной составляющей выходного сигнала ИФД от 0 до(рис. 3.1,б).

В режиме синхронизма представляет собой периодическую последовательность импульсов с периодоми длительностьюи может быть разложена в ряд Фурье. При этом:

а) =;

б);

в) . Наибольшей интенсивностью из переменных составляющих выходного сигнала ИФД обладает первая гармоника, а ее амплитуда достигает максимума равногопри,.

ИФД, выполненный по схеме«ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», отличается от предыдущего ИФД тем, что сигналы, поступающие на его входы имеют форму меандра. Выходной сигнал рассматриваемого ИФД отличен от нуля в промежутки времени, когда на его входах присутствует только один из сигналов или. Осциллограммы, поясняющие принцип его работы приведены на рис. 3.2,а.

В режиме синхронизма статическая фазовая характеристика имеет треугольную форму (рис. 3.2, б), ,. Длительность выходных импульсовне зависит от, а частота следования выходных импульсов равна 2. При этом:

а) = 2при 0 <<,

= 2при<< 2;

б)при 0 <<,

при << 2;

в) на выходе ИФД присутствуют только четные гармоники частоты . Наи-большей интенсивностью из переменных составляющих выходного сигнала ИФД обладает вторая гармоника, а ее амплитуда достигает максимума равного при() или().

Если форма иотличается от меандра, статическая фазовая характеристика примет вид трапеции.

Импульсно-фазовый детектор типа «выборка-запоминание» (ИФДВЗ). Упрощенная эквивалентная схема рассматриваемого детектора представлена на рис. 3.3, а на рис. 3.4 приведены осциллограммы напряжений в характерных точках схемы, поясняющие ее работу.

Основными элементами ИФДВЗ являются накопительный конденсатор , запоминающий конденсатор, управляемые ключиии генератор тока. Короткие импульсы, поступающие с выхода ЭГ и управляющие ключом, своим передним фронтом переводят этот ключ в положение2 и обнуляют напряжение на конденсаторе . Задний фронт этих импульсов переводит ключв положение1, подключая конденсатор к генератору тока. Таким образом, при<<напряжение на накопительном конденсаторебудет изменяться по пилообразному закону с периодом, равным.

C приходом импульса с выхода ДПКД ключ замыкается его передним фронтом и размыкается задним. При этом напряжение с конденсатора, соответствующее временному сдвигумежду моментами поступления импульсов с выходов ЭГ и ДПКД, подается на запоминающий конденсатор.

Для качественной работы ИФДВЗ емкость накопительного конденсатора должна быть значительно больше емкости запоминающего, сопротивление ключа в замкнутом состоянии () должно быть достаточно низким, а в разомкнутом – по возможности высоким. В этом случае в режиме синхронизма напряжение на запоминающем конденсаторе будет практически постоянным. С этой же целью между запоминающим конденсатором и последующими элементами кольца ФАП включается буферный каскад, имеющий высокое входное сопротивление, что препятствует разряду конденсаторав промежутках между импульсами выборки. Обычно в качестве БК используется эмиттерный или истоковый повторитель, имеющий коэффициент передачи близкий к единице.

Учитывая, что максимальное напряжение на накопительном конденсаторе , для рассмотренного типа ИФД справедливы следующие соотношения:

а) =;

б);

в) переменная составляющая выходного напряжения имеет период , наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, а ее значение определяется неидеальностью элементов схемы.

Импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД) с тремя состояниями. Принцип работы ИЧФД рассмотрим на примере одного из его вариантов, структурная схема которого представлена на рис. 3.5. В состав структурной схемы входят два -триггераи, логическая схема «ИЛИ-НЕ», два электронных ключаии два генератора напряженияи(или токаи).

При рассмотрении принципа работы представленной схемы прежде всего учтем следующие свойства элементов, входящих в ее состав.

При подаче на вход -триггера импульса установки «лог. 1» его положительным фронтом триггер переводится в состояние «лог. 1». В этом состоянии онбудет находиться до тех пор, пока на его вход не поступит импульс «лог. 1», переводящий триггер в то состояние, в котором находится его вход, т. е. в состояние «лог. 0». В этом состоянии триггер будет находиться до тех пор, пока на его входне поступит импульс «лог. 1».

Схема «ИЛИ-НЕ» формирует на своем выходе импульс «лог. 1» при поступлении на оба ее входа импульсов «лог. 0». Ключи изамыкаются при воздействии на их управляющий вход сигнала «лог. 1» и размыкаются в противном случае.

Первоначально допустим, что оба триггера находятся в состоянии «лог. 1», частоты следования импульсов, поступающих с выходов ЭГ и ДПКД равны (режим синхронизма), опережает, что соответствует рис. 3.6,в, ключи иразомкнуты. Тогда в момент времениимпульс «лог. 1», поступающий с выхода ЭГ на вход триггера, переведет этот триггер в состояние «лог. 0». На входе ключапоявится импульс «лог. 1», ключ замкнется и генератор напряженияподключится ко входу ФНЧ. На вход 1 схемы «ИЛИ-НЕ» поступит сигнал «лог. 0», однако сигнал на ее выходе не изменится, поскольку на входе 2 присутствует напряжение «лог. 1».

При поступлении в момент времени t₂ на вход триггерасигнала «лог. 1» с выхода ДПКД,перейдет в состояние «лог. 0», на обоих входах схемы «ИЛИ-НЕ» появится сигнал «лог. 0», а на ее выходе – «лог. 1». Этотсигнал, поступая на входы триггерови, переведет их в состояние «лог. 1»,и оба ключа иокажутся разомкнутыми. Это состояние останется неизменным на интервале времениt₂…t₃. Состояния триггеров, схемы «ИЛИ-НЕ» и ключей на участках t₁…t₂, t₃…t₄ и t₅…t₆ одинаковы. Также одинаковыми будут и состояния указанных элементов на интервалах t₂…t₃ и t₄…t₅. Таким образом на выходе ИЧФД будет существовать периодическая последовательность положительных импульсов напряжения, длительность которых равна времени отставания от.

На рис. 3.6, а показан случай, когда в режиме синхронизма сигнал опережает. Процессы, происходящие в ИЧФД в этом случае, будут аналогичны описанным ранее с той лишь разницей, что теперь периодически к выходу ИЧФД будет подключаться не генератор, а генератор напряжения. При этом на выходе ИЧФД будут формироваться импульсы отрицательной полярности, длительность которых будет равна времени отставанияот.

Рисунок 3.6,б соответствует случаю, когда в режиме синхронизма импульсы ив моменты времениt₁ и t₂ одновременно поступают на входы триггерови, переводя их в состояние «лог. 0», что приводит к одновременному замыканию ключейи. Однако при этом на оба входа схемы «ИЛИ-НЕ» поступают импульсы «лог. 0», на ее выходе появляется сигнал «лог. 1», триггерыипереходят в состояние «лог. 1», а ключи размыкаются. Таким образом, ключиизамыкаются только на очень короткое время. Следует отметить, что в реальных ССЧ с ФАП, использующих ИЧФД, условие точной синфазностииникогда не выполняется.

Если частоты сигналов, поступающих на входы ИЧФД, не совпадают, например частота прихода импульсов с выхода ЭГ выше, чем с выхода ДПКД, то на выходе ИЧФД формируются импульсы положитель-ной полярности с возрастающей длительностью. Сказанное иллюстрируется осциллограммами рис. 3.6, г. Полярность формируемых импульсов изменится на противоположную, если частота ниже частоты. Таким образом, импульсные сигналы с выходов триггеровиподключают к выходу детектора тот генератор, напряжение которого может скомпенсировать расстройку между частотамии. Сказанное означает, что в этом случае ИЧФД ведет себя как частотный детектор.

Рассмотренные примеры объясняют вид статической фазовой характеристики ИЧФД, представленной на рис. 3.7. В режиме синхронизма , или :

а) =;

б) ;

в) . Наибольшей интенсивностью из переменныхсоставляющих выходного сигнала ИЧФД обладает первая гармоника, а ее амплитуда достигает максимума равного при().

Отметим, что аналогичным образом работают и ИЧФД, в которых к выходу подключаются не генераторы напряжения, а генераторы тока.

Сравнительный анализ рассмотренных типов импульсно-фазовых детекторов показывает, что наилучшими характеристиками с точки зрения уровня переменных составляющих на выходе схемы обладает ИФД типа «выборка-запоминание». У остальных ИФД этот показатель одинаков. У ИФД, выполненного по схеме «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», в переменной составляющей выходного сигнала содержатся только четные гармоники частоты сравнения, что позволяет увеличить граничную частоту ФНЧ и улучшить связанные с нею характеристики ССЧ. Использование ИЧФД позволяет существенно сократить длительность перехода от режима биений к режиму синхронизма.