РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 5, с. 633-636
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.372.632
УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С КОЛЬЦОМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ДЛЯ ПАССИВНОГО СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ
© 2004 г. О. П. Харчев
Поступила в редакцию 16.04.2001 г.
Приведены результаты исследования умножителя частоты со ступенью фазовой автоподстройки в составе пассивного стандарта частоты. Дан анализ спектральной плотности шума выходного сигнала умножителя частоты и нестабильности частоты пассивного стандарта на примере цезиевого, проведено сравнение с умножителем частоты прямого умножения.
Совершенствование пассивных стандартов частоты (ПСЧ) настоятельно требует совершенствования источников сигнала радиочастотного возбуждения, основным элементом которых является умножитель частоты (УЧ) высокой кратности.
Традиционным для ПСЧ является использование УЧ прямого умножения [1]. Основным недостатком таких УЧ является высокий уровень боковых спектральных составляющих, кратных частоте входного сигнала, определяющих "дальний" спектр выходного сигнала Уч.
Существенно улучшить "дальний" спектр выходного сигнала УЧ позволяет использование косвенного метода умножения частоты с включением в состав УЧ ступени с кольцом фазовой автоподстройки (ФАП) [2-5].
Учитывая, что в ПСЧ нестабильность частоты в основном определяется "ближним" спектром выходного сигнала УЧ, обусловленным флуктуация-ми этого сигнала, представляет интерес исследование указанных флуктуаций для УЧ, содержащего ступень умножения с кольцом ФАП, и поиск структуры УЧ, обеспечивающей наименьшую нестабильность частоты ПСЧ.
Структурная схема УЧ с кольцом ФАП представлена на рис. 1. Умножитель частоты содержит последовательно соединенные: ступень умножения с кольцом ФАП (УЧ1) и каскад прямого умножения (УЧ2). УЧ1 представляет собой кольцо ФАП с делителем частоты [4]. Кольцо ФАП образовано последовательным включением подстраиваемого генератора (ПГ), делителя частоты (Д), фазового детектора (ФД) и фильтра нижних частот (ФНЧ). Второй вход фазового детектора является входом сигнала опорной частоты, он же является входом УЧ1 с частотой /1. Коэффициент к1 умножения частоты УЧ1 равен значению коэффициента деления частоты п делителя частоты Д. Частота выходного сигнала УЧ1 равна /2. УЧ2 -прямой кратный умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным к2. Выходной сигнал умножителя частоты УЧ2 с частотой /3 является
выходным сигналом всего УЧ. Общий коэффициент умножения частоты УЧ равен N = к1к2 = /3/1.
Основной вклад во флуктуации выходного сигнала УЧ1 и всего УЧ вносят флуктуации входного опорного сигнала и флуктуации подстраиваемого генератора. Допустим, преобладающими флуктуа-циями являются фазовые. При сделанных допущениях найдем спектральную плотность шума выходного сигнала УЧ1, а затем и всего УЧ.
Спектральная плотность фазовых флуктуаций на выходе замкнутого кольца ФАП в операторной форме может быть представлена в виде
£3 (О) = 1 (Р )|2 (О) + К (р )|2 ,
где £1(0) - спектральная плотность фазовых флуктуаций опорного генератора £2(0) - спектральная плотность фазовых флуктуаций подстраиваемого генератора; К1(р) - коэффициент передачи шумов опорного генератора кольцом ФАП; К2(р) -коэффициент передачи шумов подстраиваемого генератора кольцом ФАП.
Коэффициенты К1(р) и К2(р) могут быть записаны в виде
К1( р) =
К 2 ( р ) =
РЮу К ф (р)
р + Б Юу Кд (р) К ф (р)' р
р + Б Юу К д (р) К ф( р)'
где Кф(р) - коэффициент передачи ФНЧ; Кд(р) - коэффициент передачи делителя частоты; Б - кру-
¡1
УЧ,
ФД ФНЧ ПГ /2 УЧ2
1 ""
Д
/з
Рис. 1. Схема умножителя частоты с кольцом ФАП.
5(О) 10-2
10-7-
10-
10-
10-
100
106 О, рад/с
Рис. 2. Спектральные плотности: 51(О) (1), 52(О) (2), ^(О).2 (3) и .4(0) при п = 1 (4), 54 (5), 108 (6) и 1836 (7).
тизна нормированной характеристики ФД; 2юу полоса удержания системы ФАП.
Коэффициент передачи делителя частоты операторной форме представим в виде [6]:
Кд (р) =
ехр (- рТз)
Б3(О) =
п ( Б2Б 1 (О) + О2 Б2( О ) ) (Б 008 Отз)2 + (пО - Б 8шОтз )2
преобразуются замкнутым кольцом АПЧ с коэффициентом передачи частотных флуктуаций, описываемым следующим выражением в операторной форме:
К з( р) =
Ад К о К „
рТ + .Ад К 0 К г'
где Ад - крутизна КД, Кг - крутизна перестройки КГ, К0 и Т - коэффициент усиления и постоянная времени ИУ.
Полученные выражения позволяют определить нестабильность частоты выходного сигнала ПСЧ, обусловленную флуктуациями выходного сигнала УЧ, с использованием девиации Аллана в виде
ст(т) =
_1_
Юо
11 ^ООГ? - |К 3 (р )|2 О2.4 (О) СО
о
(От/2)
где п - коэффициент деления частоты; тз - длительность задержки делителя, пропорциональная коэффициенту деления частоты п.
Полагая Кф(р) = 1 и обозначая Б = Оюу, выражение для спектральной плотности Б3(О) можно привести к виду
Тогда спектральная плотность фазовых флуктуаций на выходе всего умножителя частоты может быть представлена в виде
Б4 (О) = к 2 Б3 (О).
Учтем работу данного УЧ в составе ПСЧ, т.е. в составе замкнутого кольца автоматической подстройки частоты (АПЧ) опорного кварцевого генератора со спектральной плотностью фазовых флуктуаций Б1(О).
Рассмотрим упрощенное кольцо АПЧ, содержащее последовательно соединенные в замкнутое кольцо: подстраиваемый кварцевый генератор (КГ), умножитель частоты, квантовый дискриминатор (КД) и интегрирующий усилитель (ИУ).
Флуктуации выходного сигнала УЧ прикладываются к входу квантового дискриминатора. Они
где Ю0 = 2п/1, т - длительность времени измерения.
Воспользуемся полученными выражениями для оценки нестабильности частоты, обусловленной флуктуациями выходного сигнала УЧ.
В качестве примера рассмотрим цезиевый ПСЧ с параметрами: частота кварцевого генератора /1 = = 5 МГц, коэффициент умножения УЧ N = 1836, Б = 104 рад/с, частота среза цепи АПЧ О0 = 10 рад/с, О0 = .АдК0Кг/Т. Используем однокомпонентные спектральные плотности флуктуаций для КГ и ПГ. Для кварцевого генератора учтем составляющую, описывающую фазовый фликкер-шум Б1(О) = 1012/О [рад2/Гц], а для подстраиваемого генератора - частотный фликкер-шум, характерный для автогенераторов метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн Б2(О) = 10-4/О3 [рад2/Гц].
Проанализируем спектральные плотности флук-туаций выходного сигнала УЧ и нестабильность частоты ПСЧ при различных соотношениях крат-ностей умножения частоты (к1 и к2) умножителей частоты УЧ1 и УЧ2.
Результаты численного моделирования приведены на рис. 2 и рис. 3. Зависимости спектральных плотностей фазовых флуктуаций представлены на рис. 2, а зависимости девиации Аллана в относительных единицах, характеризующей нестабильность частоты ПСЧ, обусловленную флуктуациями выходного сигнала умножителя частоты, - на
рис. 3.
На рис. 2 описана спектральная плотность фазовых флуктуаций опорного кварцевого генератора Б1(О) (прямая 1), спектральная плотность подстраиваемого генератора Б2(О) (прямая 2), а также спектральная плотность выходного сигнала УЧ при прямом умножении частоты и отсутствии кольца ФАП Б^О). (прямая 3). Спектральная плотность Б4(О) выходного сигнала УЧ с кольцом
УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С КОЛЬЦОМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ
635
ФАП без учета задержки (тз = 0) описана при следующих значениях коэффициентов умножения частоты к1 и к2: при к1 = 1 (п = 1), к2 = 1836 (кривая 4); при к1 = 54 (п = 54), к2 = 34 (кривая 5); при к1 = 108 (п = 108), к2 = 17 (кривая 6); при к1 = 1836 (п = 1836), к2 = 1 (кривая 7).
Из рисунка видно фильтрующее действие кольца фАп в области больших значений частоты, причем чем больше коэффициент умножения частоты ступени ФАП, т.е. чем больше коэффициент деления п, тем спектр лучше. Наиболее чистый спектр получается при п = 1836 (кривая 7), т.е. при отсутствии каскада прямого умножения и реализации общего коэффициента умножения УЧ, равного N за счет ступени с кольцом ФАП. Ход кривой 7 подтверждает, что в области низких частот спектральная плотность определяется шумами опорного кварцевого генератора, а в области высоких частот - шумами подстраиваемого генератора. Кривая 7 имеет точку излома, соответствующую частоте, при которой изменяется крутизна зависимости спектральной плотности от частоты. Точка излома кривой 7 имеет наименьшее значение частоты по сравнению с кривыми 4, 5 и 6.
На рис. 3 представлены зависимости девиации Аллана или нестабильности частоты ПСЧ, обусловленной флуктуациями выходного сигнала УЧ, при использовании кольца ФАП в составе УЧ и при длительности задержки тз, равной нулю, для трех значений коэффициента умножения к1 = п. На этом же рисунке представлена указанная зависимость для умножителя частоты с прямым умножением (кривая 4). Из рисунка видно, что использование УЧ с кольцом ФАП позволяет уменьшить нестабильность частоты ПСЧ при малых временах длительности времени измерения т. Причем наибольшее уменьшение нестабильности частоты ПСЧ относительно случая прямого умножения частоты наблюдается при наибольшем коэффициенте умножения частоты УЧ1 с кольцом ФАП, т.е. при наибольшем коэффициенте деления частоты п, равном коэффициенту умножения частоты всего УЧ.
Аналогичные результаты получаются и в случае использования в УЧ в качестве первой ступени каскада с прямым умножением, а второй ступени -с кольцом ФАП с делителем.
Следует отметить, что увеличение коэффициента деления частоты п делителя приводит к увеличению длительности задержки тз, чрезмерная величина которой способна привести к нарушению устойчивости работы кольца ФАП. Критическое значение длительности задержки, обеспечивающей устойчивость "в малом" [7] УЧ с кольцом ФАП для рассматриваемого случая, может быть представлено в виде: тз кр = пп/Б. Превышение значения длительности задержки больше критического может привести к возбуждению в замкнутом кольце ФАП автоколебаний в мягком ре-
Рис. 3. Девиация Аллана, обусловленная флуктуациями выходного сигнала умножителя частоты при п = = 1 (1), 108 (2), 1836 (3) и N = 1836 (4).
жиме [8, 9], а следовательно, к увеличению нестабильности частоты ПСЧ.
Моделирование показало, что для рассматриваемого ПСЧ влияние длительности задержки на спе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.