‮Сдвиг по фазе (kincajou) wrote,
‮Сдвиг по фазе
kincajou

Categories:

Радио для самых маленьких. И мораль.

Основа любой радиопередачи - электромагнитное излучение. Радиоволна, проще говоря. Частоты этого изучения простираются от единиц Гц (ультрадлинные волны, которые, насколько я знаю, на практике для радиопередачи почти никак не используются ввиду чрезвычайной сложности построения антенных систем таких размеров), через килогерцы, десятки и сотни килогерц (сверхдлинные и просто длинные волны), через мегагерцы (короткие волны), десятки и сотни (ультракороткие волны), к гигагерцам (СВЧ) и выше, до терагерцового предела.

Эфир забит сигналами и помехами. Тут есть всё - от искрящих электромоторов и молний, до межзвёздного шума. Вещательные станции, служебные станции, радиолюбительские станции, неизвестные станции. Автоматические станции, передающие погоду, сейсмические данные и прочую телеметрию. Космические станции и наземные, работающие на отражение от Луны и через ионосферу. Короче, есть всё.

И чтобы отделить один сигнал от другого (или же создать сигнал, который можно выделить на фоне всех остальных), в радиоаппаратуре издревле используются частотно-избирательные цепи.

Физика преподнесла нам роскошный подарок в виде т.н. колебательного контура, то есть соединённых вместе конденсатора (C) и катушки индуктивности (L). Их можно соединять по-разному, в разных сочетаниях, с разными праметрами, но всегда в таком контуре будет как минимум один конденсатор и как минимум одна катушка. Основное свойство такого контура - наличие резонансной частоты, которая определяется только параметрами элементов и более ничем.

В передатчиках LC-контуры (или на профессиональном жаргоне - контур`а) используются в качестве частнотозадающих элементов, а в приёмниках - в качестве частотоизбирательных.

И всё бы хорошо, если бы не один маленький недостаток таких контуров - та самая частотная избирательность, благодаря которой они и нашли своё применение, даже в самых хороших изделиях далека от желаемого идеала. Так же не слишком поражают воображения значения стабильности - скажем, температурной или климатической (при нагреве или охлаждении меняются размеры элементов и их характеристики, вызывая "уход" частоты от номинальной). Катушки, особенно низкочастотные, занимают много места, требовательны к качеству изготовления и настройке, и вообще довольно сложны (кто хоть раз мотал многовитковую катушку, тот не забудет это никогда, особенно если каркас какой-нибудь сложной формы - тороидальные катушки отнюдь не редкость!).

Колебательный контур подобен в своём поведении механическому маятнику. Даже формулы для расчётов выглядят одинаково. Приводить их здесь не буду, помня о закономерности "одна формула в тексте снижает количество читателей в два раза".

Частотная избирательность ещё зависит от так называемой добротности контура. Этот параметр буквально и означает, насколько качественно сделан контур - чем меньше потерь на активном сопротивлении элементов, чем меньше потерь поля в конденсаторе, потерь магнитного поля в катушке, тем добротность выше. Высокодобротный колебательный контур после подачи напряжения на него будет "качаться" тем дольше, чем добротность выше. Колебания будут постепенно затухать, если их не подкачивать. Работу по подкачке энергии от источника питания в контур делает какой-нибудь активный элемент - лампа, диод, транзистор и так далее. Всё вместе образует генератор. А если к генератору прицепить кусок провода, то получится передатчик.

Физика снова преподносит подарок. Оказывается, в природе существует множество веществ и процессов, которые могут при определённых условиях служить эталонами частоты или из которых можно делать резонаторы.

Одно из самых распространённых веществ такого типа - кварц. Обыкновенный кварц, как оказалось, обладает совокупностью замечательных свойств. Во-первых, он весьма жёсткий и упругий (до определённого предела, естественно). То есть при механических воздействиях кристалл кварца стремится сохранить свою форму. Он стабилен и крайне слабо подвержен старению. И кварц - пьезоэлектрик.

Пьезоэлектриками бывают только диэлектрики (изоляторы то есть), но далеко не все. Вообще встречаются разные типы диэлектриков - пироэлектрики, магнитоэлектрики и т.п. Но нас щас интересуют именно пьезоэлектрики. Это очень интересное свойство вещества. На практике оно выражается в том, что при упругой деформации кристалла на его противоположных сторонах возникает электрический потенциал (причём чем сильнее деформация, тем потенциал выше - вот и основа для измерителей, скажем, давления). И наоборот - при приложении потенциала кристалл начинает менять свою форму.

Как выше уже сказано, кварц упруг. То есть попыткам внешней силы изменить форму кристалла будет противостоять его упругость. И если эту внешнюю силу убрать, то кристалл кварца исключительно быстро вернётся в прежнее состояние. Но при этом, из-за своей упругости опять же, он "пролетит" равновесное положение в обратную сторону (и на его сторонах снова появится потенциал, хоть и чуть поменьше), затем снова и снова процесс будет повторяться до тех пор, пока колебания, наконец, не затихнут.

И вот тут начинается самое интересное - параметры электрического резонатора, сделанного из кварца, по сравнению с LC-контуром чрезвычайно высоки. Стабильность кварцевого кристалла заведомо выше стабильности катушек и конденсаторов, частота зависит только от формы (она, конечно, меняется при изменении температуры, но не очень сильно), а добротность настолько высока, что даже самые плохие кварцы по всем статьям легко бьёт самые лучшие контура.

Генераторы (и передатчики на их основе), использующие кварцевые резонаторы в качестве частотозадающих элементов, отличаются от LC-генераторов высочайшей стабильностью и точностью.

Но из достоинств кварца вытекают и его недостатки. Прежде всего, из стабильности следует невозможность или трудноосуществимость перестройки по частоте. Кварцевый резонатор изо всех сил сопротивляется попыткам сдвинуть его резонанс при помощи каких-то внешних элементов (тех же катушек или конденсаторов). Резонансную частоту можно изменить на несколько килогерц - это при том, что она сама может составлять мегагерцы. В лучшем случае сдвиг получится на десяток-другой килогерц. Затем кварц просто перестаёт работать.

Что же делать, если нам надо передавать сигнал на нескольких частотах (или иметь возможность плавно перестраиваться)? Ставить в генератор несколько разных кварцев? А сколько? Один-два, десяток, сотню? Ясно, что это не метод.

И нашёлся выход.

Опять же, физика подкинула интересную штуку. Оказывается, любой полупроводниковый прибор, внутри которого есть p-n-переход (то есть диод, транзистор и т.п.) может работать в качестве конденсатора, если этот переход сместить в обратном направлении (т.е. "запереть"). И ёмкость такого полупроводникового конденсатора будет зависеть от приложенного к нему напряжения.

Это свойство оказалось удобно использовать для электронной перестройки колебательных контуров, а специальный тип диодов, особенно хорошо работающих в качестве электронных конденсаторов, получил название "варикап".

LC-генератор с варикапом можно настраивать, меняя напряжение на этом варикапе. Но добротность так не изменить и все недостатки обычных контуров наследуются и электронно-перестраиваемым конутром.

Как всегда, достоинство переходит в недостаток, а недостаток может обернуться достоинством.

Кому-то однажды пришла в голову мысль: а что будет, если частоту кварцевого генератора сравнивать с частотой электронно-перестраиваемого контура и сигналом разности между этими частотами регулировать контур так, чтобы разность была минимальной (в идеале вообще нулевой)? Эта идея появилась довольно давно. Варикапов тогда ещё не было и электронной (или даже электрической) перестройкой контуров занимались моторизированные переменные конденсаторы или переменные катушки. Но суть от этого не меняется.

Дело осложняется тем, что если частоты, на которые расчитаны кварцевый генератор и контур, будут разными, то просто так их сравнить нельзя - они всё время будут "разбегаться". а если частоты одинаковые, то затея теряет смысл - зачем управлять нестабильным контуром, устанавливая его на частоту кварца, если можно сразу воспользоваться кварцем?

И инженерная мысль пошла дальше. Гениальная догадка - сравнивать не сами частоты сигналов, а их фазы. Причём фазы не "сырых" сигналов, а приведённых к единому, так сказать, знаменателю - то есть поделённые во сколько-то раз так, чтобы частота от кварца и от контура сравнялись бы примерно. Тогда можно будет обработать сигнал с фазового детектора и завести его на электронно-перестраиваемый контур, который, при должном проектирвоании схемы, будет работать синхронно с кварцем! Фазы-то одинаковые - об этом следит система, которая и получила название ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ (ФАПЧ).

Это совершенно гениальная штука. Нестабильность LC-контуров с варикапами перестала быть недостатоком и стала достоинством - теперь их может перестраивать следящая схема ФАПЧ, которая в качестве образца берёт сигнал с кварца. И в итоге получается, что выходной сигнал с "нестабильного" контура так же стабилен, как и кварцевый резонатор, но при этом его частота отличается во столько раз, во сколько она делится вышеупомянутой системой. То есть, меняя коэффициент деления, можно регулировать выходную частоту - с шагом, равным частоте кварца, только поделённого на другой делитель (обычно их в сиситема ФАПЧ два - один от опорного кварцевого генератора, другой в обратной связи от LC-генератора). Если этот делитель большой, то шаг перестройки получается маленьким.

И мы получаем настраиваемый LC-генератор с кварцевой стабильностью!

Это ли не чудо?

Но, как всегда, из достоинства проистекает же и недостаток. Кроме очевидной сложности конструкции, есть ещё и невозможность настроиться на какие-то промежуточные частоты. Генератор на выходе может дать т.н. "сетку частот" - фиксированные значения, зависящие от частоты кварца и коэффициентов деления. Между этими значениями настроиться нельзя.

А что делать, если хочется именно туда?

И нашёлся выход, как всегда. Помощь пришла с неожиданной стороны - от цифровой техники. Там совершенно независимо развивалось направление так называемого "прямого цифрового синтеза" (ПЦС или DDS). ПЦС-система, упрощённо говоря, представляет собой связку из тактового генератора с делителем частоты, блока формирования адресов, ПЗУ и ЦАП. Обычно ПЗУ хранит "запись" куска оцифрованной синусоиды, с хорошим разрешением по времени и амплитуде.

Тактовый генератор формирует опорную частоту для всей схемы, делитель выводит из неё какое-то пониженное значение, формирователь с каждым новым тактом от делителя берёт следующий адрес и направляет в ПЗУ, на выходе которого появляются отсчёты синусоиды, которую ЦАП выдаёт в виде аналогового уже сигнала.

Всё очень просто и гибко - делитель можно перенастраивать как угодно, меняя в широчайших пределах и с огромной точностью выходную частоту.

Совершенно замечательная вещь!... если бы не один, как водится, недостаток: дискретность. На выходе DDS не чистая синусоида, а ступеньчатая. Возникновение ступенек выхвано как небесконечностью разрядности ЦАП, так и схемой формирования адресов ПЗУ - делитель, грубо говоря, просто выкидывает лишние такты из опорного сигнала, пропуская какие-то отсчёты.

Но этот недостаток, впрочем, легко исправить при помощи фильтров на выходе системы ПЦС. И получить супергибкий генератор сигналов, который можно перенастраивать цифровыми методами. Причём генератор этот будет так же стабилен, как его источник тактовой частоты - а это, как правило, кварц!

Единственное, что реально удручает - невозможность получения каких угодно частот. И если тактовую частоту ещё можно увеличить, то быстродействие ПЗУ и ЦАП всё-таки нельзя наращивать бесконечно.

То есть достоинство опять превратилось в недостаток.

Но однажды какому-то умнику пришла в голову идея. А что будет, подумал умник, если взятьи соединить ФАПЧ и ПЦС? то есть взять систему ФАПЧ и вместо кварца на её входе поставить ПЦС?

Получится, что мы сможем получать сетку частот, которые можем менять цифровым способом (меняя коэффициенты деления!) с перенастраиваемой опять таки цифровым способом опорной частотой. И с кварцевой стабильностью. И практически на любой диапазон, на который только сможем соорудить LC-генератор и делитель к нему!

Так появились гибридные синтезаторы частот,лучше образцы которых могут выдавать непрерывный ряд частот в широком диапазоне (скажем, от 1 ГГц до 2 ГГц) с шагом в ДОЛИ герца. Не сотни герц, не десятки и даже не единицы. Доли. Можно даже тысячные доли. И частота эта будет настолько стабильна, насколько стабилен исходный кварц (есть, конечно, всякие тонкости - шумы и всякие паразитные колебания, но это уже на потом).

Элегантное, изящное, восхитительно остроумное решение, превратившее кучу недостатков в массу достоинств!

Мораль: вот так добро (знание и смекалка) побеждает зло (уныние и отсутствие творчества).
Tags: мысли, приключения Электроника, радио
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 36 comments