Цифровой синтезатор частоты

)5 Н 03 В 19/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВИДЕТЕЛ ЬСТ ВТОРСКОр) ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(54) ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ(57) Изобретение относится к радиотехнике.Цель изобретения - расширение диапазонавыходных частот при сохранении шага перестройки и фаэовой стабильности выходных колебаний. Цифровой синтезатор частоты содержит накопительный сумматор 1, Р- триггер 2, элемент 3 задержки, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, делитель 5 частоты, Импульсная последовательность на тактовом входе Р-триггера 2 тактирует неравномерную последовательность импульсов с выхода накопительного сумматора 1, При каждых двух сменах логического сигнала на первом входе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 количество импульсов на его выходе уменьшается на адин по сравнению с импульсной последовательностью, поступающей на его второй вход. Частота следования импульсов на выходах Р-триггера 2 и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 пропорциональна коду на кодовом входе цифрового синтезатора частоты. 2 ил,Изобретение относится к цифровой технике, предназначено для синтеза цифрового бинарного колебания, частота которого дискретно меняется в зависимости от входного управляющего кода, т,е, для синтеза сетки частот, и может быть применено в и рием никах навигацион ной, командно-измерительной аппаратуры, в системах синхронизации.Известны цифоовые синтезаторы частоты,Известны также синтезаторы частоты на основе сложения импульсных последовательностей, содержащие только цифровые схемы (логические элементы и счетные триггеры), они достаточно просты, обеспечивают высокие частоты и малые дискреты перестройки частоты,Однако в указанных синтезаторзх фаэовые скачки в выходной импульсной последовательности достигают 360,Синтезаторы частоты на дискретных фазовращателях также содержат только цифровые схемы (логические элементы, триггеры, счетчики, линии задержки) и обеспечивают высокие значения выходной частоты и малый дискрет перестройки выходной частоты.Однако фазооые флюктуэции в выходной последовательности импульсов достигают 3600.Кроме того, известен синтезатор на цифроаналоговом фазовращателе, который обеспечивает достаточно малый дискрет перестройки частоты при малых (до 40) флюктуациях фазы,Однако известный синтезатор сложен, содержит, помимо цифровых элементов(фазорасщепитель, коммутатор, дешифратор, счетчик, триггеры, логические элементы), также аналоговые схемы (цифроаналоговые преобразователи), сумматор, полосовой фильтр),Наиболее близким к предлагаемому является цифровой синтезатор частоты со сложением кодов на накопительном сумматоре (НС), содержащий НС, делитель частоты, выход которого является выходом устройства, а вход соединен с выходным разрядом переполнения НС. Тактовый вход НС является тактовым входом синтезатора, а входная шина НС-управляющим входом синтезатора.Цифровой синтезатор со сложением кодов формирует сигнал с достаточно малыми фазовыми флюктуациями импульсов, не содержит аналоговых элементов, достаточно прост в исполнении.Недостатком указанного синтезатора является сложность, а иногда и невозмож ность обеспечения высокой выходной частоты синтезатора при малом дискрете ее перестройки и ограниченной емкости (разрядности) НС. Это обусловлено следующим. В устройстве формируется сетка частот с равномерным шагом от нуля до верхней частоты, При этом емкость НС равна количеству шагов по частоте. Поэтому при ограниченной емкости НС и малом шаге по частоте верхняя выходная частота синтезатора ограничена, т,е, одновременное повышение частоты и уменьшение дискрета ее перестройки являются противоречивыми требованиями. Это противоречие в устройстве разрешается только увеличением емко 10 15 сти НС, что возможно до определенного предела, поскольку наращивание аппаратуры ведет к снижению быстродействия НС и снижению выходной частоты синтезатора. Кроме этого, в большинстве реальных схем не требуется синтезировать сетку частот от нулевой частоты, необходима какая-то высокая частота и подстройка с малым дискретом "влево" и "вправо" от нее в некотором диапазоне, При этом в известном синтезз 20 25 торе используется небольшая часть общегочисла возможных выходных частот,Цель изобретения - повышение выходной частоты синтезатора при фиксированных емкости НС, дискрете перестройки частоты и фазовых флюктуациях выходного 30 сигнала. Поставленная цель достигается тем, чтов устройстве, содержащем НС, делитель частоты, О-триггер, элемент задержки и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, тактовый вход НС и тактовый вход О-тригге 4045 50 55 рэ являются соответственно первым и вторым тактовыми входами устройства,. входная шина НС является управляющим входом устройства, информационный вход О-триггера подключен к старшему разряду выходкой шины НС, вход элемента задержки подключен к второму тактовому входу устройства, первый и второй входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к выходам соответственно О-триггера и элемента задержки, вход делителя частоты подключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход делителя частоты является выходом устройства,Сущность изобретения состоит в следующем, В высокочастотном канале синтезатора проходит импульсная последовзтельность со сколь угодно большой (ограниченной быстродействием простых логических элементов) частотой (назовем эту частоту несущей). НС, находящийся в низкочастотном тракте, формирует сетку точной подстройки частоты с малым дискре 1698948том, Максимальная частота на выходе НС определяется величиной диапазона, в пределах которого должна изменяться выходная частота синтезатора, а не абсолютной величиной частоты на выходе устройства. Требуемый диапазон перестройки, как правило, много меньше выходной частоты (например, в схемах слежения за частотой, задержкой и т.п.), Поэтому тактовая частота НС существенно снижается по сравнению с известным синтезатором.С помощью выходного сигнала НС проводится управление частотой несущего колебания, очная сетка частот как бы накладывается на несущую частоту.Таким образом, в предлагаемом синтезаторе такие два параметра, как выходная частота и дискрет ее перестройки, независимы, Выходную частоту можно повышать, увеличивая частоту несущего колебания. При этом тактовая частота и емкость НС и, следовательно, дискрет тонкой перестройки частоты, остаются неизменными, Поскольку цифровой синтезатор формирует колебание в некотором частотном диапазоне в окрестности несущей, а не с нулевой частоты, значительно уменьшается количество частот, синтезируемых устройством. Обеспечивается возможность сокращения емкости НС или при неизменной емкости уменьшения дискрета перестройки частоты. При этом скачки фазы выходного сигнала предлагаемого синтезатора не больше, чем в известном устройстве.На фиг. 1 изображена схема цифрового синтезатора частоты; нэ фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу.На фиг. 1 обозначены некоторые точки (а - д) в схеме устройства, на фиг, 2 соответствующие временные диаграммы обозначены теми же буквами. Цифровой синтезатор частоты (фиг. 1) включает НС 1, О-триггер 2, элемент 3 задержки, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 и делитель 5 частоты, выход которого является выходом устройства, Тактовые входы накопительного сумматора 1 и О-триггера 2 являются соответственно первым и вторым тактовыми входами устройства, входная шина НС 1 является управляющим входом устройства, информационный вход О- триггера 2 подключен к старшему разряду выходной шины НС 1, вход элемента 3 задержки подключен к второму тактовому входу устройства, первый и второй входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 подключены к выходам соответственно О-триггера 2 и элемента 3 задержки. вход делителя 5 частоты под 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4,Синтезатор работает следующим образом.На тактовый вход НС 1 поступает импульсная последовательность с частотой 1 т 1, на входную шину НС 1 поступает код Еу. Частота следования импульсов на старшем разряде выходной шины НС 1 прямо пропорциональна частоте б 1 и коду Еу,На тактовый вход О-триггера 2 поступает импульсная последовательность с частотой тт 2 (фиг, 2 б), которая тактирует неравномерную последовательность импульсов с выхсдэ НС 1 (фиг. 2 а) таким образом, что смена логического уровня на выходе О-триггера 2 привязана к передним фронтам импульсов на его тактовом входе (фиг. 2 в), Элемент 3 задержки задерживает последовательность импульсов с частотой тт 2 на величину, равну;о задержке сигнала в О- триггере 2. Это необходимо для совмещения во времени фронтов сигналов на входах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2 в, г).Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 пропускает на выход высокочастотную последовательность. поступающую на его второй вход, если на первом входе уоовень сигнала равен логическому нулю. Если на первом входе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 сигнал равен логической единице, то высокочастотная последовательность, поступающая на второй вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, инвертируется.Таким образом, как показано на фиг. 2 г, при каждых двух сменах логического сигнала на первом входе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 количество импульсов на его выходе уменьшается на один по сравнению с импульсой последовательностью, поступающей на его второй вход, Частота следования импульсов на выходе О-триггера 2 пропорциональна коду Еу, следовательно, величина перестройки частоты на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 также пропорциональна коду Лу,Неравномерная последовательность импульсов с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 поступает на счетчик-делитель 5 частоты для сглаживания фазовых флюктуаций,В качестве О-триггера 2, элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, счетчика - делителя 5 частоты в предлагаемом устройстве могут быть использованы микросхемы любых логических серий, например К 155. К 555, К 561, 133, 533, 530, 564, Элемент 3 задержки может быть реализован, например, последовательным соединением парного числа инверторов, 1698948В макете предлагаемого устройства, собранного на элементах серии 533, элемент3 задержки представляет собой двэ инвертора.В качестве НС можно использовать микросхемы НС 533 ИК 4, К 555 ИК 4.Средняя частота следования импульсовна выходах НС 1 и О-триггера 21 Уцб 1/Йс,Чс= 2где М, - емкость НС 1;Мр - количество разрядов НС 1,Согласно описанию работы устройствав динамике частота следования импульсовнэ выходе устройствавых=(т 2 1 т 1 7 ц/Мс)/пдгде пд - коэффициент деления счетчика-делителя частоты,Дискрет перестройки частоты, ее максимальное значение и диапазон изменениясоответственноЛ:/(й. и);вых макс=.т 2/Пд,0 =Йс Л /2=г 1/(2 пд),Умножение на 2 в последнем выражении отражает то, что при использовании импульсов старшего разряда выходной шиныНС 1 частота на его выходе линейно зависитот кода Уц не для всех его значений, а толькоДлЯ О2 ц1 чс/2 (это слеДУет из теоРемыКотельникова),Для известного устройства выражения,определяющие выходную частоту, ди-кретперестройки, максимальное значение частоты и диапазон ее изменения, следующие:п- вых="-ц т/(Йс Пд 1;Л"=,/(й, и);5 вых макс= lпд ,о"=-НпНапример, при необходимости обеспечения диапазона перестройки частоты синтезатора не менее 8 Гц относительнонесущей с шагом не более 1 Гц и при использовании 16-разрядного НС, т,е, емкостьюМс=2 =65536, в известном синтезаторе16можно обеспечить максимальную несущуючастоту 5 "вых макс=655361=65,5 (к Гц) (здесьи далее для простоты принимаем пд=1),В предлагаемом устройстве можно обеспечить любую несущую частоту, ограниченную сверху только быстродействием простых логических элементов, входящих в О-триггер 2, элемент 3 задержки, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, Кроме того, незави симо от номинала выходной частоты, емкость НС 1 в предлагаемом устройстве определяется только диапазоном перестройки частоты: Не=26/ Л=2 8/8=16=2", 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 Ь Если НС имеет такую же емкость, что в известном синтезаторе (2 ), то при любой1 Гвыходной частоте можно обеспечить дискрет перестройки Л =2 Й/МС=2 8/65536=2,4 10 (Гц), т,е. в 4000 раз меньший, чем в известном устройстве.В известном устройстве неравномерность расстановки импульсов выходного сигнала во времени определяется тактовой частотой НС т. Это приводит к скачкам фазы выходнсго сигнала, величина которых находится в диапазоне 0-360 и линейно возоастает с ростам выходной частоты.В предлагаемом устройстве неравномерность расстановки импульсов выходного сигнала во времени определяется ЗНаЧЕ 1 ИЕМ таКтОВОй ЧаСтстЫ т 2.Как и в известном синтезаторе при изменении выходной частоты от максимального до минимальноо значения фазовые скачки в выходном сигнале изменяются от 0 до 360 О, тэк как временной скачок положения переднего фронта импульса в выходной последовательности не может превышать величины 1/(2 т 2), -Моделирование на ЭВМ работы предлагаемого устройства в реальном времени подтверждает верность этих выводов,Были смоделированы. например, цифровой синтезатор частоты с параметрами т 1=128 Гц, т 21 Гц, пд=1, МС=64 и синтезатор на НС с параметрами т=-1 МГц, пд=1, Ив=2 с совпадающими сетками часот, В21предлагаемом устройстве максимальный скачок фазы выходного сигнала равен 90, среднее квадратичное отклонение скачков фазы 37. В известном устройстве эти величины равны соответственно 90 и 52,Таким образом, в предлагаемом устройстве повышается выходная частота, не увеличи вается (а и ри необходимости уменьшается) емкость НС и дискрет перестройки выходной частоты, причем фазовые характеристики устройства не ухудшаются.Формула изобретения Цифровой синтезатор частоты, содержащий делитель частоты и накопительный сумматор, кодовый и тактовый входы которого являются соответственно кодовым и первым тактовым входами цифрового синтезатора частоты, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона выходных частот при сохранении шага перестройки и фазовой стабильности выходных колебаний, между выходом накопительного сумматора и входом делителя частоты введены последовательно соединенные О. триггер и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а также введен элемент задержки, выход которого подключен к второму входу элемен 1 а1 го 8948 10 И С КЛ Ю 4 АЮ ЩЕ Е ИЛ И, а вход элемента задержки соединен с тактовым входом О-триггера и является вторым тактовым входомцифрового синтезатора частоты. Составитель А.БондареТехред М,Моргентал эктор А,Огар орректор Т,Палий Тиражрственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Рау Пр водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 Заказ 4400 ВНИИПИ Подписноеениям и открытиям при ГКНТ СССкая наб., 4/5