Цифровой преобразователь частоты

09) Ш),СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 7 0 В) Н ДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ г"НИЯ ЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМ О/18 ровые Лф(54)(57) ЦИФРОВОЙ ПРЬОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержаций смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты, о т л и - ч а ю ц и й с я тем, что, с целью уменьшения Фазовых искажений выходного сигнала и снижения уровня паразитных продуктов преобразования, между каждым входом цифрового преобразователя частоты и входом смесителя включен блок цифрового сопровождения Фазы периодического сигнала, а сме,ситель выполнен в виде арифметического блока.Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, синтезаторах частоты, электроиэмерительных приборах.Известен преобразователь частоты, 5 выполненный на смесителе двух сигналов, осуществляющем функцию сумматора импульсных последовательностей Г 13.Недостатком известного устройст О ва является присутствие на выходе устройства частот, участвующих в преобразовании, а также и то, что импульсы суммарной частоты имеют фазовые колебания, что в свою очередь 15 требует в ряде случаев введения в схему преобразователя фильтров.Наиболее близким к предлагаемому является цифровой преобразователь частоты, содержащий смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты.Известный преобразователь частоты выполнен как вычитатель импульсных последовательностей. На его выходе формируется импульсная последовательность раэностной частоты, при этом уровень параэитных продуктов преобразования несколько ниже, чем в известном устройстве 1 1, в частности ослабляется составляющая мень- З 0 шей из входных частот, отсутствует суммарная частота, ниже колебания фазы выходного сигнала 12 3.Однако известный преобразователь частоты имеет существенныенедостат ки: импульсы разностей частоты на выходе преобразователя следуют неравномерно, что приводит к искажению и колебаниям фазы сигнала, в частотном .спектре выходного сигнала 40 присутствуют составляющие входных сигналов, что увеличивает уровень параэитных продуктов преобразования.45Цель изобретения - уменьшеиие фазовых искажений выходного сигнала и снижение уровня паразитных продуктов преобразования.Поставленная цель достигается тем, что в цифровом преобразователе частоты, содержащем смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты, между каждым входом цифрового преобразователя частоты и входом смесителя включен блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала, а смеси- тель выполнен в виде арифметического блока.На фиг, 1 представлена структур ная электрическая схема предлагаемого циФровОго преобразователя; на фиг.2- структурная электрическая схема блока цифрового сопровождения Фазы периодического сигнала, 65 Цифровой преобразователь частотысодержит смеситель (арифметическийблок ) 1, блоки 2 и 3 цифрового со"провождения фазы периодического сигнала.Блоки 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала содержат детектор 4 нулей, измерительный счетчик 5, регистр б памяти,параллельный сумматор-накопитель 7,сумматор 8 импульсных последовательностей, счетчик 9 импульсов, генератор 10 импульсов,Цифровой преобразователь частотыработает следующим образом.Первая и вторая входные импульсныепериодические последовательностиподаются на входы соответствующихблоков 2 и 3 цифрового сопровожденияфазы периодического сигнала,Блок цифрового сопровожденияфазы периодического сигнала работает следующим образом, Пусть на еговход фиг. 21 поступает первый периодический сигнал. Детектор 4 нулейв момент начала положительного импульса этой последовательности вырабатывает импульс, которым содержимое счетчика 5 записывается в обратном коде в регистр б памяти, азатеи оба счетчика .5 и 9 устанавливаются в исходное (нулевое ) положение. Следует отметить, что в этотмомент времени фаза входного сигналаравна О, так как сигнал входной импульсной последовательности переходит от ф-" к "+ф. Таким образом навыходе блока цифрового сопровожденияв момент известного нулевого значения фазы входного сигнала принудительно устанавливается нулевое значение сигнала цифрового сопровождения.Оба счетчика 5 и 9 от генератора 10 заполняются импульсами высокой частоты. При этом частота генератора 10 выбирается так, чтобы при наиболее низких частотах сопровождаемоговходного сигнала счетчик 5 полностьюне заполняется. В результате в моментпоявления импульса с детектора 4 изсчетчика 5 в регистр б памяти запишется рассогласование - разность между величинами максимально возможного периода и данного конкретного периода сопровождаемой частоты, Слетчик 9 заполняется от генератора 10через сумматор 8 импульсных последовательностей. Одновреиенно импульсы, продвигающие счетчик 9, стробируют параллельный сумматор-накопи.-.тель 7, в который с каждым стробомвводится рассогласование из регистра б памяти. В момент переполненияна выходе переноса старшего разряда сумматора-накопителя 7 появляется импульс, который суммируетсяв сумматоре 8 импульсных последовательностей с основной последователь"ностью импульсов с генератора 10 идополнительно продвигает на одинтакт счетчик 9. Одновременно этотимпульс проходит на вход стробирования сумматора-накопителя 7 и дополиительно суьжирует сигнал рассогласования из регистра б с содержимым сумматора-накопителя.Параллельный сумматор-накопитель 7, сумматор 8 импульсных последовательностей и счетчик 9 Функционируют так, что дополнительныйимпульс на счетном входе счетчика9 появляется в тот момент, когдарассогласование цифрового значения.сигнала блока на выходе цифровогосопровожцения фазы и текущего значения Фазы периодического сигналаприближается к единице младшегоразряда счетчика, т.е. дополнительный импульс сбрасывает накапливающуюся текущую погрешность. Навыходе счетчика в результате будетсуществовать цифровой сигнал сопровождения Фазы входного периодического сигнала с погрешностью,равной единице младшего разрядасчетчика вне зависимости от частоты входного сигнала и частотыгенератора импульсов,10 15 30 Паразитная Фазовая модуляция приводит к паразитной частотной модуляции. диапазон мгновенного6 Выходы блоков 2 и 3 цифровогосопровождения Фазы подключены соответственно на первый и второйвходы смесителя 1, выполненного ввиде арифметического блока. В результате на параллельных входахобоих слагаемюс арифметического блока существуют цифровые сигныы,мгновенные значения которых соответствуюттекущим значениям фаэ каждого иэвходных сигналов,И зависимости от значения сигналана входе управления смеситель 1(арифметический блок либо вычитаетиз текущих значений первого цифрового 45сигнала сопровождения текущие значения второго, либо суммирует их.Вследствие особенностей органиэации цифрового сопровождения по- .,грешности цифрового сопровождениякаждого из сигналов лежат в интервале от 0 до 1 дискреты младшегоразряда цифрового кода сопровождения, Следовательно, при вычитании погрешность цифрового сопровождения раэностного сигнала не превьваает + 1 младшего разряда. Этосоответствует мгновенной Фаэовоймодуляции выходного сигнала иа величину Фазы, определяемую значением младшего разряда выходного кода. отклонения частоты на выходе преобразователя от Езь,будет равенгатфф1выем а вып+д вил где 1 эь, " период выходной разностнойчастоты ВыфдТ - максимальное колебание дли-тельности периода разностной частоты, обусловленноедрожанием Фазы,(неточ-.ностью 1 цифрового сопровождения обоих сигналов иВЫЕМравное примерно зь",где2и - разрядность выходного цифрового сигнала.ЬТучитывая что т и6 ЬЮ 2 получим д х - 121 ВЫКЬЫМ и- ЬЫХ2 2Таким образом, выходной сигнал раэностной частоты, будет иметь мгновенные значения частоты в диапазоне4ЬЫ - п аых Отклонение длительности2импульса выходного сигнала от идеальной обусловлено погрешностью преоб- разования равной +1 дискрете, т.е. равной Ф - длительности периода вы-.12 пходного сигиала. Паразитная Фаэовая модуляция, осуществляя мгновенные колебания длительности импульса вы-. ходной разностиой частоты, приводит к паразитной амплитудной модуляции. Глубина параэктной амплитудной модуляции (модуляции длительности импульса равна"О 100 У.,ггде О - уровень выходного сигнала.Таким образом, без применения фильтра на выходе предлагаемого преобразователя частоты отношение основного сигнала к параэитным составляющим в худшем варианте будет равно 2" ", т.е. однозначно определяется точностью цифрового сопровождения фазы что количественно характеризует чистоту выходного сигнала и уровень паразитной фазовой модуляции.При использовании 4-разрядных блоков цифрового сопровождения фазы периодического сигнала биение Фазы выходного сигнала без применения фильтра составлйет в случае разностной частоты не более 2, в, случае суммарной частоты в . 10При использовании 8-раэряпных устройств цифрового сопровождения Фазы биение Фазы для разностной час 1054875тоты составит 0,1, а для суммарной0,7. Таким образом, чем выше разрядность блоков цифрового сопровождения фазы, тем меньше уровень шумов преобразователя частоты и вышечастота спектра выходного сигнала. С другой стороны увеличение разрядности усложняет техническую реализацию блока и ограиичивает частотный и динамический диапазон входного частотно-модулированного сигнала. Предлагаемый цифровой преобразователь частоты позволяет технически достаточно просто получить спектральную чистоту выходного сигнала порядка 40-б 0 дБ и выше, а с применением простого фильтра 80 90 дБ.Например, при преобразовании двух идеальных сигналов 1 = 250 кГц иЕ = 150 кГц с 10-разрядным цифро 2вым сопровождением Фазы каждого из сигналов при значении тактовых частот блоков цифрового сопровождения фазы соответственно 500 мГц и 330 мГц на выходе преобразователя частоты будем иметьРазностный сигнал частоты 100.кГцф разброс мгновенных значений этой частоты будет + 100 Гц; отношение основного сигнала к уровню шума преобразования будет не менее 52 ДБ, глубина паразитной амплитудной и фазовой модуляции менее 0,2, Если последовательности цифровых сигналов преобразователя частоты подать на вход цифроаналогового преобразователя,преобразуя значения Фаз в значения ампли- туды синусоидального сигнала, тона выходе цифроаналогового преобразователя образуется в первом случае синусоидальный сигнал разностной частоты, во втором случае - синусоидальный сигнал суммарной частоты. Следует отметить, что фаза синусоидального сигнала, в обоих случаяхбудет однозначно определяться фаза" ми входных сигналов с точностью, определяемой разрядностью блока 2 и 3 цифрового сопровождения фазы.Если использовать только старший выходной разряд арифметического бло" ка, то на выходе этого разряда образуется периодический сигнал разностной или суммарной частоты прямоугольной формы. Фаза этого сигнала также однозначно определяется Фаза ми входных сигналов с точностью, определяемой разрядностью блоков 2 и 3.Предлагаемый преобразователь частоты легко реализуется на элементах микроэлектронной техники. Современнаяэлементная база позволяет реайиэовать цифровой преобразователь с точностью представления фазы разностного или суммарного периодического сигнала на его выходе 1% 5 0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 при частоте сигнала до 10 мГц, Снижение частоты входных сигналов приводит к повышению стабильности выходного сигнала,Так, например, восьмиразрядный цифровой арифметический блок, выполняется на четырех микросхемах средней интеграции: 155 ИПЗ,и 155 ИР 1.Во время распространения переноса на выходе сумматора выходные сигналы могут иметь дребезг, который принципиально устраняется стробированием. Сигнал стробирования осуществляетвывод результата суммирования иливычитания на выход преобразователя с некоторой задержкой от момента возможной смены входного кода на входахсумматора. Эта задержка для указанных выше микросхем составляет ориентировочно 70-100 нс. Вместо стробирования можно подключить конденсаторы небольшой емкости к выходам разрядов смесителя 1.Различие частот входных сигналов на входах цифрового преобразователя частоты практически неограничено. При различии частот более чем в 2 раза необходимо согласование обслуживающих частот с генератора 10 импульсов, Так, например, при частотах входных сигналов 10 ИГц и 1 Гц и точности представления фазы выходного сигнала 1% тактовые частоты обслуживания блоков цифрового сопровождения должны быть соо 2 тветственно около 2 10 фГц и 2 10 Гц. Наиболее просто согласование тактовых частот достигается при автоматическом подиапазонном переключении частоты обслуживания. Предлагаемый цифровой преобразователь частоты позволяет осуществлять с высокой точностью совместные преобразования более чем двух частот. Для этого необходимо выход первого цифрового, преобразователя частоты подключить на вход второго преобразователя, на другой вход которого подключить сигнал цифрового сопровождения фазы третьей частоты, и т.дПри построении подобных пирамид преобразования многих частот следует обратить внимание на то, что на выхоДе цифрового преобразователя частоты фактически существует цифровой сигнал сопровождения разностной или суммарной выходной частоты. Поэтому в следующем каскаде по этому тракту нет необходимости в блоке цифрового сопровождения фазы, а сигнал с выхода предыдущего преобразователя следует подавать в следующем каскаде цифрового преобразования прямо на один из входов смесителя, выполненного в виде арифметического блока. Одновременно следует отметить, что длина последовательной цепочки, преобразований частот огра"Патент",л.Проектная,филиал ППг.ужгород 7ничена точностью блоков цифрового сопровождения фазы первичных сигналов, так как в каждом каскаде цифрового преобразования частоты уменьшается точность представления фазы выходного сигнала и соответст ванно увеличивается биение фазы суммарного или разностного сигнала.Предлагаемый цифровой преобразователь частоты может быть нсполь эован в качестве широкоплосного Фазо сдвигающего устройства, для чего вместо второго сигнала цифрового сопровождения достаточно на арифметй ческий блок 1- подать постоянное двоичное число равное необходимому 15 Фазовому сдвигу. Также предлагаемый цифровой преобразователь частоты мо жет быть использован в схеме радио- приемного устройства с синхронным детектированием и двойным:преоб 1 азованием частоты в тракте несущей. В этом случае появляется возможность обеспечения приема широковещательных, радиостанций во всем диапазоне их рабОты без необходимости первстройки Фильтров.Предлагаемый цифровой преобразователь частоты может быть использован в широком классе радиотех; нических устройств,.например, прн приеме и передаче частотно-модули- ЗО рованных сигналов, синтезаторах частот, измерительных приборахи т,д особенно там, где необходимо сохранение фазы входного сигнала. Прн этом использование предлагаемого цифрового преобразователячастоты позволяет отказаться от применения сложных селективных частотных элементов. В выходном спектрепреобразованного сигнала отсутствуют паразитыые продукты преобразования, частоты участвующие в преобразоваиии и т.д. Сам выходнойсигнал представлен в удобной длядальнейших преобразований цифровой Форме, иэ которой легко получить как импульсный, так и синусоидальный сигнал раэностной илисухарной частоты. Вьвсодной цифроювой сигнал допускаетдальнейшиечастотнь 1 е и Фазовые преобраэова"ния. В результате применения данного цифрового преобразователя частоты возможйо одновременно преобразовывать несколько сигналов различных частот и совершать точныефаэовые операции с этими преобразованньааи сигналами. Такаю, образом, предлагаемыцифровой.преобразователь частотыимеет Иеяьшие фазовые искаженияи меньшие паразитные продуктыпреобразования в выходном сигнале. ВИИПИ Эаказ 9117/56 ираж 936 Подписное