В. Гавриленко

В даний час промисловість випускає синтезатори частоти, в яких реалізований метод прямого чи непрямого синтезу. Сутність прямого синтезу полягає в отриманні необхідної частоти шляхом виконання операцій множення і ділення частот гармонійних складових високостабільної частоти опорного генератора. При непрямому синтезі частота генератора, керованого напругою (ГУН), зменшується делителем зі змінним коефіцієнтом ділення (ДПКД) в необхідну кількість разів. З виходу дільника частота подається на один із входів частотно-фазового детектора, на інший вхід якого надходить сигнал з частотою, дорівнює кроку зміни частоти синтезатора, отриманої з частоти опорного генератора. Вихідний сигнал частотно-фазового детектора проходить через фільтр нижніх частот (ФНЧ) і управляє частотою ГУН. Остання змінюється до тих пір, поки частота на виході ДПКД чи не стане дорівнює кроку зміни частоти синтезатора і не досягає заданого значення, що визначається коефіцієнтом ділення.

Більшість описаних методів хоч і дають можливість отримувати високостабільні частоти, але володіють недоліками, практично не дозволяють основній масі радіоаматорів конструювати такі синтезатори частоти. І насамперед це складність реалізації подібної конструкції через трудомісткість налаштування, наявності великої кількості фільтрів, моткових виробів. Прилад, схема якого описана нижче, розроблений за методом цифрового синтезу і вільний від цих недоліків.

Для пояснення методу цифрового синтезу згадаємо, як працює аналого-цифровий перетворювач частоти. Для перетворення аналогового сигналу синусоїдальної форми в дискретний через певні інтервали часу беруться вибірки цього аналогового сигналу. Іншими словами, миттєве значення сигналу вимірюється в момент вибірки і перетвориться в цифровий код (число). Потім сигнал послідовності чисел з аналогоцифрового перетворювача (АЦП) подається на цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), який перетворює числа у відповідний рівень напруги. Для «згладжування» сходинок, що утворюються при зміні чисел, сигнал з виходу ЦАП подається на фільтр низьких частот (ФНЧ). У процесі цифрового синтезу здійснюється по суті справи операція, зворотна тієї, яка відбувається в АЦП. В результаті формується послідовність імпульсів напруги, величини яких дорівнюють миттєвому значенню синтезованого сигналу, що відповідає даному значенню поточної фази. Ці імпульси подаються на ФНЧ, що формує синусоидальную форму синтезованого сигналу. Для спрощення фільтра кількість імпульсів на період частоти синтезованого сигналу вибирається не менше п’яти.

Описуваний цифровий синтезатор частоти має наступні технічні характеристики.

1. Період частоти вихідного сигналу формується не менш ніж по п’яти вибірках.

2. Діапазон синтезованих частот 0,1 Гц … 20 кГц.

3. Крок зміни частоти 0,1 Гц.

4. Стабільність синтезованих частот дорівнює стабільності опорної частоти, стабілізованою кварцом.

Цифровий синтезатор частоти може бути використаний:

в якості високостабільного приладу з високою точністю установки частоти для налаштування музичних інструментів або інший звукозаписної або звуковідтворювальної апаратури;

як генератор хитається частоти з високим ступенем лінійності вимірювання частоти від керуючого коду;

як одноголосний електромузичний інструмент, при цьому код частоти формують за допомогою шифратора, на вхід якого подаються сигнали з клавіатури інструмента;

як складова частина синтезатора, призначеного для синтезу більш високих частот.

Функціональна схема синтезатора наведена на рис. 1 і включає в себе наступні вузли:

GI – генератор опорної частоти, стабілізованою кварцом;

D1 – накопичувач фази;

D2 – обчислювач миттєвих значень синусоидального коливання;

Рис. 1. Функціональна схема цифрового синтезатора частоти

D3 – цифро-аналоговий перетворювач;

U1 – фільтр нижніх частот.

Накопичувач фази D1 являє собою багаторозрядних накопичує двійковий суматор, на вхід якого подається число К, визначальне синтезована частота. Вміст накопичувача збільшується на величину До через інтервали часу, рівні періоду частоти генератора опорної частоти. Двійкові числа на виході накопичується суматора змінюються циклічно від нуля до N – ємності накопичується суматора і відповідають зміни поточної фази від нуля до 360 °. За час циклу формується один період синтезується частоти. Чим більше число К, тим коротше час циклу і, отже, коротше період синтезується частоти. Змінюючи це число, можна міняти і синтезована частота.

Двійкові числа, що визначають момент вибірок на періоді синусоидального коливання, подаються з накопичувача фази на обчислювач миттєвих значень D2, в якості якого використовується постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗУ), де записані заздалегідь обчислені значення вибірок. Числа з виходу ПЗУ для перетворення в аналогову форму подають на ЦАП. Звідти сигнал надходить на ФНЧ U1, на виході якого утворюється вихідний сигнал синтезатора.

Синтезована частота визначають як / = КА /, де Af = fo / N – крок зміни частоти синтезатора. При цьому період частоти на виході синтезатора формуючи? Ся по N / К вибірках. Ємність накопичується суматора N = 2n, Де п – кількість його двійкових розрядів. Переймаючись максимальної синтезується частотою і кроком зміни частоти, можна за наведеними вище формулами розрахувати частоту опорного генератора і кількість розрядів у накопичує сумматоре.

Принципова схема синтезатора показана на рис. 2. Необхідна частота опорного генератора дорівнює 104,8576 кГц, але через відсутність кварцового резонатора на цю частоту був використаний кварц на частоту 1048,576 кГц і дільник на десять. Кварцовий генератор виконаний на мікросхемах DD1.1 і DD1.2, а дільник – на мікросхемі DD2.

Рис. 2. Принципова схема цифрового синтезатора частоти

Для двадцатіразрядного накопичується суматора використані мікросхеми DD3, DD4, DD7 – DD10, DD16 – DD19. Він складається з п’яти сумматоров і п’яти четирехразрядних регістрів. Тактовий сигнал регістра подається з дільника частоти DD2 опорного генератора. Кожен суматор дозволяє складати два четирехразрядних числа. На входи У сумматора надходять сигнали з виходів регістрів, на інші входи А – сигнали восемнадцатіразрядного чисел К (код частоти), що визначають синтезована частота.

У синтезаторі використано ПЗУ DD6-КР556РТ5 ємністю 512 восьмирозрядних чисел. Для збільшення точності завдання поточної фази в ПЗУ записані вибірки однієї чверті періоду синусоїди, а не цілого періоду, що еквівалентно збільшенню ємності ПЗУ в чотири рази.

Для формування повного періоду синусоїди по записаним в ПЗУ вибірках використовуються одинадцять старших розрядів накопичується суматора (виходи регістрів DD4, DDIO і DDI9). З них дев’ять молодших розрядів використовують для формування адреси ПЗУ. Сигнали цих розрядів надходять на адресні входи ПЗП через суматори за модулем два (мікросхеми DD1I, DD20, DD5.4). Ці суматори використовують, як інверторів коду адреси при формуванні другої та четвертої чверті періоду. Управляє инверторами сигнал розряду накопичується суматора DD4 (14).

Восьмирозрядних числа з виходу ПЗУ DD6 надходять через суматори за модулем два DD12, DD21 на ЦАП DD13. Ці суматори служать инверторами чисел з ПЗУ для формування другої половини періоду синусоїди. Управління ними здійснюється старшим розрядом накопичується суматора DD4 (13). Для узгодження частоти синтезованого сигналу за рівнем напівперіодів використовують інвертіруемий сигнал старшого розряду нагромаджуючого сумматора, який подають на вхід старшого розряду ЦАП DD1 (4). В якості ЦАП використовують мікросхему К572ПА1Б, яка працює спільно з операційним підсилювачем DD14 К544УД2А. Для усунення впливу перехідних процесів, що виникають під час зміни розрядів коду, на якість синтезованого сигналу вихідний сигнал операційного підсилювача DD14 подають на вхід ФНЧ через ключ DD15. Цей ключ підключає вихід підсилювача до входу ФНЧ в другій половині періоду частоти опорного генератора, коли перехідний процес практично закінчений. Таким чином, імпульси, що надходять на ФНЧ, виявляються в два рази коротше, ніж тривалість імпульсів на виході ОП ЦАП, що призводить до зменшення рівня сигналу на виході ФНЧ в два рази. З цим доводиться миритися, оскільки використання ключа DD15 значно підвищує якість сигналу. Характеристичний опір ФНЧ дорівнює 2 кОм, тому для його узгодження з джерелом сигналу включений резистор R15. ФНЧ навантажений на резистор R16.

Вміст ПЗУ обчислюється за формулою

де entier (x) -метою частина числа X; т – адреса ПЗУ, який змінюється від нуля до 511.

Обчислені величини миттєвих значень відліків на чверті періоду синусоїдального коливання наведені для компактності в шістнадцятковій системі числення в таблиці. При користуванні таблицею слід пам’ятати, що в цій системі числення символам А, В, С, D, Е, F відповідають числа 10, 11, 12, 13, 14, 15. Два старших розряду адреси ПЗУ наведені в лівому вертикальному стовп-

Таблиця

Вміст ПЗУ мікросхеми КР556РТ5 (1/4 SIN)

це, молодший розряд в першому рядку таблиці. Для прикладу визначимо вміст комірки ПЗП з адресою 254. Ця адреса в шістнадцятковій системі числення записується як FE. На перетині рядка F і шпальти Е записано ВЗ, що відповідає числу 179 в десятковій системі числення. Отже, за адресою 254 ПЗУ записано число 179.

Як уже згадувалося, синтезируемая частота задається восемнадцатіразрядного двійковим числом К. Так при К = 1 частота на виході синтезатора дорівнює 0,1 Гц, а при 7 (= 200 000 – 20 кГц. На рис. 3 показана схема завдання частоти. Для зручності користування синтезатором і спрощення схеми індикації частоту в синтезаторі встановлюють за допомогою шести перемикачів ПП10-хВ. Кожен перемикач має десять положень (Від нуля до дев’яти), і в його вікні видно тільки одна цифра, що відповідає даному положенню. Сигнал на виходах кожного перемикача (висновки А, В, О, Е) являє собою чотирирозрядний двійкове число, а на виходах всіх перемикачів – значення частоти в двійковій-десятковому коді. Для керування частотою синтезатора двійковій-десятковий код, набраний за допомогою перемикачів, необхідно перетворити в двійковий. Це роблять двійковій-десятковий лічильник, виконаний на мікросхемах DD1, DD2, DD7, DD8, DD13, DD14, двійковий лічильник на мікросхемах DD4, DD10, DDI5, а також регістри DD5, DD6, DDI1, DD12 і DD16. На мікросхемі DD3 виконаний генератор тактових сигналів. Для того щоб процес перетворення двійково-десяткового коду в двійковий на найвищій частоті не перевищував однієї секунди, частота генератора обрано рівної 400 … 500 кГц.

Двійковій-десятковий лічильник працює в режимі віднімання, а двійковий – в режимі додавання. Дозвіл на запис інформації з перемикачів S1 -S6 двійковій-десяткові лічильники отримують за сигналом «WR» (1), вступнику з тригера DD9.2 (12). Цим же сигналом проводиться установка довічних лічильників. На рахункові входи двоічнодесятічних лічильників, з’єднаних паралельно, надходять сигнали тактового генератора з виходу елемента DD3.3 (10). Ці ж сигнали інвертуються елементом DD3.4 (11) і подаються на вхід двійкового лічильника і тригера DD9.I. Сигнали тригера DD9.1 керують роботою регістрів DD6 – DD5, DD11 — DDI2, DD16.

В цілому пристрій завдання коду частоти працює таким чином. Після того як сигналом тригера DD9.2 запишеться інформація перемикачів S1 -56 в десяткові лічильники, а двійкові лічильники встановляться в «0», починається процес одночасного заповнення цих лічильників імпульсами тактового генератора. Як тільки десятковий лічильник заповниться (всі його декади встановляться в нульове положення), з’явиться сигнал на виводі 7 мікросхеми DD14, який дозволить роботу тригера DD9.1. Переключившись, цей тригер дасть дозвіл на запис і зберігання інформації довічного лічильника в регістрі. Ця інформація в двійковому коді буде відповідати положенням перемикачів, записаним на початку процесу в десятковому лічильнику. Наступним імпульсом тактового генератора проводиться перемикання тригера DD9.2, так як на його «£>» вхід надійшов сигнал дозволу з тригера DD9.1 (1). Знову відбудеться запис інформації перемикачів у десяткові лічильники, а двійковий лічильник встановиться в «0». Процес перетворення повториться.

Принципова схема стабілізованого джерела живлення не наводиться, так як не представляє особливого інтересу.

Цифровий синтезатор виконаний на трьох платах з фольгованого склотекстоліти. На одній платі розміром 205X ​​120 мм монтують синтезатор, на іншій платі такого ж розміру – пристрій завдання частоти. На третьому платі розміром 195X65 мм монтують елементи блоку живлення. Всі плати синтезатора розміщені в корпусі з фольгованого склотекстоліти розміром 300 XX 200X80 мм. Органи управління синтезатором розташовані на його лицьовій панелі.

Якщо прилад зібраний правильно, він починає працювати відразу після подачі на нього напруги живлення.

Мікросхеми серії 561 повністю збережуть свою працездатність при напрузі джерела живлення + 5.В. Це дало можливість обійтися одним джерелом напруги живлення і відмовитися від застосування перетворювачів рівня між ІМС серії 561 і ПЗУ.

Налагодження приладу зводиться лише до налаштування опорного кварцового генератора. Необхідну

Рис. 4. Внутрішній вигляд цифрового синтезатора частоту генератора встановлюють підбором ємності конденсаторів С1 і С2.

Внутрішній вигляд цифрового синтезатора наведено на рис. 4.

На закінчення слід сказати, що при використанні більш швидкодіючих ІМС можна побудувати цифровий синтезатор на більш високі частоти.

Кращі конструкції 31-й і 32-й виставок творчості радіоаматорів / Упоряд. В. М. Бондаренко М .: ДОСААФ, 1989, – 112 с., Іл.