ФАПЧ или АПЧ, Поделитесь опытом создания гетеродинов. Опции

[oles_k76]

У многих инженеров рано или поздно возникает задача создания гетеродинов с хорошими параметрами стабильности частоты(близких к кварцевой) и хорошими фазовыми шумами.

Можно ли решить такую задачу с помошью узкополосного гуна и системы АПЧ?
И можно ли решить эту же задачу традиционным ФАПЧем.

Требования
хороший спектр -лучше -120дбс на 100кгц частота~10ггц.
отсутствие паразитных спектральных компонент.
перестройки частоты нет.
Время выхода на частоту не более 10сек.

[khach]

А причем тут стабильность питания? Пусть себе плавает, ФАПЧ все компенсирует. Главное, чтобы в спектре питания небыло ВЧ компонент с частотой больше полосы удержания фапч. Для этого на питание VCO надо ставить фильтр на биполярнике и очень осторожно относится к импульсным источникам питания и цифровым микросхемам в ближайшем окружении.
Второй вопрос- достижимые шумы связаны с добротностью DRO. С другой стороны, повышая диапазон перестройки DRO мы эту добротность валим варикапом. Дайте полосу перестройки, можно будет спрогнозировать шумы. Про методы перестройки DRO без потерь добротности пока помолчим.
Третья проблема- шумы опорного генератора. Надо правильно выбрать частоту сравнения, а то шумовой пьедестал за пределами полосы удержания мешать начнет. Какая у вас и как выглядят шумы опорного генератора?
А с цифровой петлей вы ФАПЧ никогда не сделаете ( не удержите генератор с точностью до фазы), разве что будет ОЧЕНЬ высокодобротный резонатор ( сапфировое кольцо или сверхпроводящий). Получится только АПЧ. И частота будет гулять в районе нескольких сотен герц- килогерц (вандер). Тут подходят режимы управления типа ПИД- достаточно медленно, с колебаниями, выходим на частоту и потом пытаемя ее удержать.. Но про улучшение спектра сигнала по сравнению с free running VCO прийдется забыть- на такое способен только полноценный ФАПЧ, синхронизирующий с точностью до фазы.

[oles_k76]

А с цифровой петлей вы ФАПЧ никогда не сделаете ( не удержите генератор с точностью до фазы), разве что будет ОЧЕНЬ высокодобротный резонатор ( сапфировое кольцо или сверхпроводящий). Получится только АПЧ. И частота будет гулять в районе нескольких сотен герц- килогерц (вандер).

Но про улучшение спектра сигнала по сравнению с free running VCO прийдется забыть- на такое способен только полноценный ФАПЧ, синхронизирующий с точностью до фазы.

АПЧ
Во первых отсутствует необходимость удерживать генератор с точностью до фазы.
Во вторых "болтанка" частоты в районе нескольких сотен герц до килогерца меня устраивает.

Достигается только долговременная стабильность- близкая к кварцевой,
Фазовый шум узкополосного гуна-дро при расстройках 1-5 мгц очень даже приятный и всего на пару-тройку ДБ хуже самого ДРО.

Полностью исключается влияние фозового шума опорного колебания через 20лог(N)
Есть только шумы привнесенные шумами ЦАП, ОУ, шумом источников питания.
Система работает практически в статике.

Появляется возможность использовать практически любой кварцевый генератор так как легко
можно ввести поправку на количество машинных циклов счета временного интервала.

ЦАП можно купить хоть 20 бит, медленный и дешевый

Да и выходную частоту можно легко перестраивать с шагом ЦАП пусть даже не в строгой сетке,
но с очень мелким шагом, а какой коэфициент деления потребуется для фапч дабы этого достичь?

[DRUID3]

АПЧ
Да и выходную частоту можно легко перестраивать с шагом ЦАП пусть даже не в строгой сетке,
но с очень мелким шагом, а какой коэфициент деления потребуется для фапч дабы этого достичь?

Берете DDS от AD с его-то шагом перестройки и ставите как "опору" для фазового детектора. И получаете шаг "не хуже" .

А с цифровой петлей вы ФАПЧ никогда не сделаете ( не удержите генератор с точностью до фазы), разве что будет ОЧЕНЬ высокодобротный резонатор ( сапфировое кольцо или сверхпроводящий). Получится только АПЧ. И частота будет гулять в районе нескольких сотен герц- килогерц (вандер). Тут подходят режимы управления типа ПИД- достаточно медленно, с колебаниями, выходим на частоту и потом пытаемя ее удержать.. Но про улучшение спектра сигнала по сравнению с free running VCO прийдется забыть- на такое способен только полноценный ФАПЧ, синхронизирующий с точностью до фазы.

Да синхронизацией с точностью до фазы и не пахнет. PSK принимать опасно. А вот с выделенной фразой вынужден не согласиЦЦо! При медленном уменьшении диапазона подстройки и увеличении времени установки частоты спектральная картина колебаний в такой системе стремиться к спектру самого VCO.

[oles_k76]

Берете DDS от AD с его-то шагом перестройки и ставите как "опору" для фазового детектора. И получаете шаг "не хуже" .

А Вы думаете что спектр у DDS настолько хорший что уже надо бежать занимать очередь ?
Что-то я не встречал DDS способных работать на 10ГГц напрямую, но даже те варианты которые мы пробовали различным образом сместить на 10ггц не дали удовлетворительных результатов.
А частота перестраивалась удивительно приятно, герцами ,

Хочу добавить что потом эти 10 ггц умножаться будут прямым умножением на 9-15 раз.
И тут все нехорошее вылазит до неприличия

Не получится "мелкого шага".

Тоесть Вы утверждаете что если полоса перестройки ГУН например 5мгц, а я ее "разобью" грубо говоря на 4096(12 бит) то я не получу шаг в 1-2кгц? Эт почему?
А если я возьму 65536 (16бит) то тоже не получу ?
Поясните пжлста

Как это понимать, поясните пожалуйста.

Что тут непонятного, какой спектр имеет ДРО?
А теперь подключаем линию с варикапом, гдето рядышком.
Так вот при малом диапазоне перстройки гундро его фазовые шумы ухудшаются незначительно 2-3 дб.

ps. В любом частотомере отечественного производства выведена подстройка частоты.
А дорогой отечественный производитель "морион" рекламирует широкий выбор кварцевых генераторов с подстройкой частоты и достойными фазовыми шумами...

[Mirabella]

Тоесть Вы утверждаете что если полоса перестройки ГУН например 5мгц, а я ее "разобью" грубо говоря на 4096(12 бит) то я не получу шаг в 1-2кгц? Эт почему?
А если я возьму 65536 (16бит) то тоже не получу ?
Поясните пжлста

Вообще-то уважаемый коллега khach пояснил все достаточно подробно.
Я могу сказать более конкретно: порочен сам предлагаемый принцип стабилизации частоты.

Вы пишите:

"...Вобщем я соорудил цифровой АПЧ,
там измеряется частота, а потом цап дает напругу на ГУН.
ГУН берется узкополосный, а цап с побольше точек..."


Другими словами, Вы предлагаете систему частотной автоподстройки, причем не непрерывную, а периодическую. Частотной в том смысле, что у Вас в системе имеется датчик (измеритель) частоты, определяющий имеющееся в системе рассогласование между заданной и фактической частотой.

Весьма для меня интересен вопрос: а каково время реакции системы и точность поддержания частоты?

Ведь вам надо как-то сформировать измерительный интервал времени, заполнить его импульсами образцовой длительности, получить код "текущей" частоты, сравнить его с "установленным значением", принять решение о том, куда и на сколько надо изменить управляющее напряжение, сформировать требуемый код для ЦАПа, преобразовать код в напряжение.
Всё это можно реализовать, но зачем такие сложности, если результат будет заведомо хуже, чем с применением ФАПЧ.

Надежда на то, что "...цап побольше точек.." позволит повысить точность удержания частоты необоснована. "Разрядность" всей Вашей системы будет зависеть от реализуемой точности измерения частоты и времени измерения , само по себе увеличение числа разрядов не приведет к увеличению точности.
(Промежуточные рассуждения опускаю).
Увеличение точности измерения возможно за счет увеличения времени измерения, но для целей стабилизации частоты так поступать нельзя: теряется смысл измерений.

Вот почему существовавшие ранее системы ЧАП все-таки были непрерывными.
Непрерывность их основывалась на том, что для измерения частоты использовались частотные дискриминаторы, которые непрерывно формировали управляющее напряжение.
Но как общеизвестно, гораздо выгоднее непрерывно измерять фазу, а не частоту.
(А во почему-написано практически во всех учебниках по теме, не буду повторяться).

Но если Вас устраивает система ЧАП (вернее, её более худшие характеристики, чем у ФАПЧ), если Вас вполне устраивает чистота спектра ДРО, если это именно гетеродин приемного устройства, есть аж три более простых технических решения:

1. Оставить ДРО в покое и не лепить к нему абсолютно никаких "примочек".
Только надо от него взять часть мощности для Вашего измерителя частоты.
Максимум, что можно (и нужно) -обеспечить ему принудительную термостабилизацию.
Все вопросы, связанные с последствиями ухода частоты гетеродина (10 ГГЦ!) решать "внизу".
Наверное вы переносите свой сигнал вниз , а не вверх.
Принцип простой: обратной связи нет , измеряется частота этого гетеродина и измеренное значение используется далее. Если у Вас есть второй гетеродин, то можно изменять его частоту, компенсируя уход частоты первого гетеродина.

2.Заменить измерение частоты определением двух порогов: "не выше" и "не ниже".
Это даст уменьшение время реакции системы. Естественно, определение порогов надо сделать на простом частотном дискриминаторе, без всяких цифровых дел.
Частота генератора будет изменяться в неком коридоре, и только при выходе из него последует управляющее воздействие.

3. Сделать непрерывную ЧАП.



Успехов.