Курсовая работа разработка синтезатора частоты на диапазон 8-10 ггц



страница1/6
Дата29.04.2018
Размер0,73 Mb.
ТипКурсовая
  1   2   3   4   5   6
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет
Кафедра оптоэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА
РАЗРАБОТКА СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТЫ НА ДИАПАЗОН 8-10 ГГц

Работу выполнил _______________________ Моисейкин Евгений Васильевич

Курс 3

Направление 210400.62 Радиотехника



Научный руководитель

д-р техн. наук, профессор______________________________ К. С. Коротков


Нормоконтролер инженер_____________________________ И. А. Прохорова

Краснодар 2015


Реферат

­­Курсовая работа 29 с., 10 рис., 2 табл., 10 источников, 2 прил.

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ, ФАЗОВАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ, ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР, ЖИГ-ГЕНЕРАТОР, ГЕНЕРАТОР УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР

В данной работе рассматривается синтезатор частоты, работающий в диапазоне 8-10 ГГц, охваченный петлей ФАПЧ и управляемый с помощью компьютера посредством интерфейса передачи данных RS-232.

Целью работы является разработка синтезатора частоты, работающего в диапазоне 8-10 ГГц.

В результате выполнения курсовой работы был разработан и сконструирован действующий макет синтезатора частоты, работающий в диапазоне 8-10 ГГц на основе ФАПЧ и ЖИГ-генератора, написана управляющая программа для микроконтроллера.

Содержание

Обозначения и сокращения

SPI

Serial Peripheral Interface

USART

Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter

ГУН

Генератор управляемый напряжением

ДДПКД

Делитель с дробно-переменным коэффициентом деления

ДПКД

Делитель с переменным коэффициентом деления

ДЧ

Делитель частоты

ЖИГ

Железо-иттриевый гранат

ИФД

Импульсный фазовый детектор

МК

Микроконтроллер

См

Смеситель

СПЗ

Система подкачки заряда

СЧ

Синтезатор частоты

УУ

Устройство управления

ФАПЧ

Фазовая автоподстройка частоты

ФД

Фазовый детектор

ФНЧ

Фильтр нижних частот


Введение

С развитием технологий и ростом количества устройств приема и передачи сигналов возникает все большая потребность в освоении частот все большего диапазона. Но с ростом частоты все большее значение приобретает проблема стабильности частоты, к тому же многие устройства требуют возможности работы в широком диапазоне частот (например, радиостанции). До появления и развития методов синтеза частот создание и производство подобного устройства было достаточно сложной технической проблемой.

В настоящее время большое распространение получили синтезаторы частоты, работающие на принципах прямого и косвенного когерентного синтеза частоты. С развитием цифровой техники открылись широкие перспективы в области создания цифровых синтезаторов частоты.

Цифровые синтезаторы частоты, по сравнению с прочими, обладают рядом существенных преимуществ:



  1. Низкая стоимость компонентов;

  2. Малые размеры компонентов;

  3. Практически полное отсутствие прецизионных компонентов;

  4. Меньший уровень фоновых шумов за счет особенностей синтеза;

  5. Высокое быстродействие.

В современной литературе наиболее часто встречаются методы прямого цифрового синтеза и синтеза, охваченного петлей фазовой автоподстройки частоты. Первый из них обладает наилучшими функциональными возможностями, но работает в диапазоне до 1 ГГц. Второй метод позволяет с достаточной точностью синтезировать частоты гораздо более широкого диапазона (в том числе СВЧ-диапазона).

СВЧ-диапазон активно используется в целях радиолокации, связи, научной деятельности.

Целью данной работы является изучение и разработка синтезатора частоты, работающего в диапазоне 8-10 ГГц.

При этом необходимо решить следующие задачи:

– Изучить принципы работы аналоговых систем ФАПЧ;

– Изучить принципы работы цифровых систем ФАПЧ на основе ДПКД;

– Изучить принципы работы цифровых вычислительных синтезаторов (DDS);

– Изучить принципы стабилизации частоты ЖИГ-генераторов на основе многопетлевых систем ФАПЧ и принципы построения цифровых синтезаторов частот;

– Изучить устройство синтезатора частоты с ФАПЧ типа Stellex и принципом его программирования;

– Разработать управляющую систему для синтезатора типа Stellex на основе микроконтроллера.

Синтез частот

Синтезом частот называется процесс, преобразующий исходное опорное колебание в колебание с другой частотой. Также синтез может происходить от нескольких источников опорного колебания и/или позволяет получать в результате несколько колебаний с различной частотой. Комплекс устройств, осуществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот. Если такая система выполнена в виде конструктивно самостоятельного устройства, то ее называют СЧ. [1]



Совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на выходе СЧ и следующие друг за другом через определенный интервал, называют сеткой частот. Интервал между соседними номинальными значениями сетки частот называют шагом сетки частот. Как правило, желательно, чтобы выходные колебания системы синтеза частот были гармоническими, т.е. описывались формулой (1).








где – амплитуда, В;

– максимальная амплитуда, В;

– круговая частота, рад/с;

T – время, с;



– начальная фаза, рад.

На деле, из-за побочных явлений реальные выходные колебания СЧ отличаются от гармонических некоторым непостоянством амплитуды, частоты и начальной фазы, поэтому их называют квазигармоническими. Типичными являются следующие изменения:



  1. Систематические, также называемые уходами или дрейфами. Они могут быть вызваны старением материала резонатора (например, в кварцевых генераторах), однако их наблюдают и в атомных стандартах частоты (например, в некоторых промышленных образцах цезиевых стандартов относительный дрейф частоты составляет около 10-13 за год). Такие чрезвычайно медленные изменения частоты называют относительным долговременным дрейфом частоты и выражают в виде числа, умноженного на 10-n и характеризующего изменения частоты в час, сутки, месяц или год в зависимости от типа устройства или характера применения.

  2. Периодические флуктуации вследствие паразитной частотной модуляции периодическими сигналами, происходящей, например, с частотой источника электропитания или ее гармоник. В ряде случаев квазипериодические изменения частоты могут быть связаны с изменениями температуры и давления, вибрациями и т.д. Эти обусловленные внешней средой факторы могут вызывать и более нерегулярные флуктуации частоты.

  3. Случайные флуктуации, вызываемые шумами, например, тепловым, дробовым или фликкер-шумом, источниками которых служат электронные компоненты. Соответствующие флуктуации частоты часто называют кратковременной нестабильностью, так как они становятся все более заметными по мере уменьшения рассматриваемых интервалов времени. Из-за случайного характера для их описания необходимы и широко применяются статистические методы.

Стоит отметить, что выражения «долговременная» и «кратковременная» - понятия чисто условные; нельзя указать объективные пределы, справедливые для любых генераторов или любых применений, поэтому необходимо точно указывать рассматриваемые длительности.

Сейчас СЧ используются в множестве систем различного устройства, назначения и принципа работы. Область применения СЧ можно описать следующим списком:



  1. Системы измерения дальности методом сравнения фазы дальномерных сигналов с фазой опорного сигнала, в которой нестабильность частоты любого из работающих генераторов приводит к погрешности в определении дальности.

  2. Летательные аппараты, использующие генераторы для наведения, сопровождения и связи.

  3. Связные системы, где с повышением уровня стабильности несущих частот снижаются помехи и улучшается качество работы. Например, в цифровых системах связи используется синхронизирующая способность тактовых генераторов сети, а один из показателей ее оценки – максимальная ошибка временного интервала – связан с нестабильностью фазы и частоты тактовых генераторов.

  4. Доплеровские РЛС с узкополосным приемником, выделяющим сдвинутый по частоте отраженный сигнал. Нестабильность частоты уменьшает чувствительность такого приемника и разрешение по дальности

  5. Метрология времени и частоты. В этой области используются сложнейшие лабораторные талоны времени и частоты, такие как цезиевые и водородные стандарты.

Замена простых автогенераторов на СЧ позволяет получить следующие преимущества:

  1. Существенно повышается точность настройки и стабильность частоты в условиях эксплуатации, когда возможны вибрация и удары, изменения давления, влажности, температуры, напряжений источников питания и т.д.

  2. Появляется возможность изменять частоту дистанционно по заданной программе и со скоростью, недостижимой при использовании обычных генераторов.

  3. Сокращается число операций по коррекции частоты, когда в ней возникает надобность.

  4. Открываются новые возможности формирования радиосигналов, такие как получение частотно-манипулированных колебаний без потери стабильности частоты.

  5. Отпадает надобность в большом числе прецизионных элементов – вариометров, переменных конденсаторов, шкальных устройств.

  6. Упрощается регулировка и налаживание аппаратуры: современные цифровые системы синтеза, построенные из исправных деталей и смонтированные без ошибок, вообще не нуждаются в регулировке и налаживании.

  7. Улучшается отношение сигнал/шум на выходе радиотракта вследствие снижения уровня паразитных составляющих спектра возбудителя передатчика и гетеродинов приемника, частоты которых лежат вблизи номинальных частот колебаний этих устройств и, следовательно, не подавляются избирательными элементами.

  8. СЧ поддаются унификации по структурным схемам и отдельным составным частям, даже работающие в различных диапазонах.

  9. Заметно повышается надежность аппаратуры при высокой культуре производства СЧ.

    1. Некогерентный синтез

В системах некогерентного синтеза частоты используется комбинация нескольких автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты, позволяющая получить большое число выходных частот при относительно небольшом числе кварцевых резонаторов. Синтез осуществляется методом последовательного гетеродирования. Для этого применяют несколько кварцевых генераторов, соединенных с переключателями кварцевых резонаторов, управляемых с УУ. Частота колебаний на выходе каждого См представляет собой сумму двух входных частот. После каждого смесителя идет полосовой фильтр для устранения шумовых составляющих при сложении частот.

При таком синтезе используется гетеродирование с выделением суммарной частоты, и поэтому значения нестабильности и неточности установки выходной частоты, а также фазовые шумы выходного колебания являются суммами значений нестабильности и неточности установки, а также фазовых шумов отдельных генераторов соответственно. Стабильность и точность установки выходной частоты могут быть существенно улучшены путем комбинации гетеродирования с выделением колебаний суммарной частоты и гетеродирования с выделением колебаний разностной частоты, а также уменьшением старения и затягивания частоты кварцевых резонаторов. Фазовые шумы, будучи по природе некогерентными, могут быть снижены только путем улучшения параметров отдельных элементов. Особое внимание должно быть уделено содержанию побочных составляющих в выходном колебании. В процессе смещения возникает бесконечное множество нежелательных комбинационных составляющих, часть из которых, являясь составляющими малых порядков, может оказаться внутри полосы рабочих частот.

Важным достоинством некогерентного синтеза является низкая стоимость устройства.


    1. Когерентный синтез

Когерентный синтез объединяет в себе целое семейство новых методов. Как можно заметить из названия, эти методы обеспечивают получение многих частот из единой опорной, обладающей требуемой стабильностью и точностью установки. Использование этих методов неизбежно связано с наличием побочных составляющих в выходном колебании, которые приходиться устранять соответствующим выбором значений частот, участвующих в процессе синтеза, и подавлять фильтрацией.

Когерентный синтез подразделяют на прямой и косвенный. Основное отличие косвенного синтеза от прямого – при косвенном синтезе приращения частоты получают, используя принцип обратной связи. Рассмотрим вкратце основные методы когерентного синтеза. Более подробно с ними можно ознакомиться в [2].



Метод прямого преобразования. Данный метод используют в случаях, когда необходимо сформировать небольшое число выходных частот. Также предпочтительно использовать этот метод в случаях, когда требуется одновременное присутствие на выходе устройства колебаний всех выходных частот. Основными узлами, входящими в состав такого устройства, являются умножители и делители частоты, смесители и источник опорной частоты. Посредством умножения, деления, сложения и вычитания опорной частоты выделяются выходные частоты.

Синтез методом гармоник. Данный метод предпочтительнее синтеза прямым преобразованием в случаях, когда значения выходных частот кратны интервалу между любыми двумя соседними частотами (шагу сетки частот) и когда в каждый данный момент времени на выходе синтезатора необходимо обеспечить наличие только одной частоты. Для реализации данного метода необходимо генерировать колебание с высоким содержанием гармоник (обычно – импульсной последовательности) и затем выделять колебания нужной гармоники.

Метод двойного преобразования частоты. В данном методе в качестве гетеродина используется перестраиваемый по частоте генератор, частота которого устанавливается меньшей, чем частота выходного колебания на постоянную величину Сигнал гетеродина и умноженный в раз входной сигнал поступают на разностный смеситель, получившийся сигнал проходит через полосовой фильтр и затем складывается с сигналом гетеродина Таким образом, полосовой фильтр, осуществляющий подавление нежелательных колебаний, работает на одной и той же частоте, а гетеродин может перестраиваться по частоте вручную или дистанционно. Транспонирование входных колебаний в область более низких частот позволяет многократно увеличить относительный разнос по частоте между соседними гармониками, что существенно облегчает задачу подавления колебаний нежелательных гармоник.

Метод тройного преобразования частоты. Данный метод разрабатывался для целей создания системы с многократным использованием однотипных узлов и блоков, что позволяет снизить стоимость и время, затрачиваемое на разработку и конструирование, удешевляется цен, упрощаются настройка, ремонт и эксплуатация синтезаторов. Метод представляет собой модификацию метода двойного преобразования частоты и поэтому основан на том же принципе полной компенсации дрейфа частоты.

Метод пассивных идентичных декад. Основная структура СЧ, выполненного по данному методу, состоит из двух смесителей с выделением на их выходах суммарной частоты и делителя частоты. На вход первого смесителя поступает колебание с частотой Частота гетеродина вырабатывается путем прямого преобразования частоты опорного генератора. На вход второго смесителя подается колебание частоты и частота от гетеродина, но с выбираемым частотным приращением. На выходе второго смесителя частота делится, и при таких условиях выходная частота отличается от входной частоты наличием поделенного на делителе частотного приращения. Преимущества данного метода: выбор частотных приращений осуществляется с помощью переключателя, работающего на высокой частоте, а не настройкой нескольких перестраиваемых генераторов, как при тройном преобразовании частоты.



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал