В современных ТВ передатчиках достаточно часто используют цифровые синтезаторы (DDS) для получения промежуточных частот в диапазоне 30-40МГц с шагом сетки частот в 1Гц. Для формирования гетеродинных частот применяют синтезатор с ИФАПЧ. Для работы в диапазоне частот требуется шаг сетки частот в 8МГц, что соответствует сдвигу несущих частот в соседних каналах. На самом деле шаг сетки частот делают меньше, например Δfс=0,1-0,25МГц, но используют только нужные колебания. Существует необходимость в небольших смещениях несущих частот радиостанций, которые работают в разных регионах на одинаковых каналах.
Исходные данные для расчета: в качестве диапазона частот для синтезатора выбирается ТВ диапазон, в котором работает передатчик; шаг сетки частот выбирается равным 0,1МГц; частоту опорного генератора выбираем равной 5 или 10МГц.
В процессе курсового проектирования необходимо рассчитать величину частоты среза кольца ИФАПЧ F′ и время перестройки синтезатора Δtпер, рассчитать RC-фильтр (построить частотную характеристику RC-фильтра и определить число звеньев), рассчитать делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) и найти в интернете выпускаемый промышленно генератор, управляемый напряжением (ГУН), для выбранного диапазона частот.
На рисунке 4 приведена функциональная схема синтезатора с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты.
Рис.4. Схема синтезатора с ИФАПЧ
Генератором радиочастоты является ГУН: генератор, управляемый напряжением, в контур которого включен управляющий элемент УЭ – варикап или другая емкость, регулируемая напряжением uупр. Из колебаний частоты ГУНа (как правило, гармонических) на выходе преобразователя «синусоида импульс» получают последовательность коротких импульсов (в идеале, дельта-импульсов), частота следования которых равна выходной частоте ГУНа. Частоту этой последовательности делят в ДПКД (делителе с переменным коэффициентом деления) в NДПКД раз и подают получившуюся последовательность импульсов на вход импульсно-фазового детектора ИФД. Перестройку ДПКД обеспечивает микроконтроллер МК.
На другой вход ИФД подают последовательность синхронизирующих импульсов, полученных с генератора опорной частоты ГОЧ (кварцевого АГ), после деления ее частоты в ДФКД – делителе с фиксированным коэффициентом деления NДФКД. Частоту, с которой следуют импульсы с ДФКД, называют частотой сетки синтезатора fс.
Напряжение на выходе ИФД пропорционально разности фаз сигналов с ДПКД и ДФКД. В стационарном состоянии синтезатора напряжение на выходе ИФД должно быть постоянным. Это возможно только тогда, когда частота следования импульсов с ДПКД тоже равна fс. Только в случае равенства частот следования импульсов на входах ИФД возможна постоянная разность фаз между ними. Выходное напряжение ИФД после усиления и фильтрации в ФНЧ подают как uупр на УЭ. В зависимости от величины uупр меняется емкость УЭ, которая входит в контур АГ и изменяет его частоту.
В установившемся режиме синтезатора выполняется соотношение
(1)
Пример. Разработать синтезатор частот диапазона 925…960 МГц с сеткой через 100 кГц. Частота ГОЧ – 5 МГц.
1. Находим диапазон коэффициентов деления NДПКД:
2. Находим коэффициент деления NДФКД:
В таком синтезаторе можно получить частоты 925; 925,1; 925,2…959,8; 959,9; 960 МГц – всего 351 дискретную частоту. Перестройку частот производят переключением коэффициента деления NДПКД.
Основные характеристики синтезатора с ИФАПЧ получают из уравнения кольца ИФАПЧ. Синтезатор с ИФАПЧ является системой автоматического управления с замкнутым кольцом. Во временной области отклонение частоты ГУНа от номинального значения 
определяет начальное отклонение частоты 
и частотный сдвиг 
, вносимый в ГУН УЭ:
(2)
Установим связь между 
и 
. Отклонение частоты 
вызывает отклонение фазы колебаний АГ
(3)
Так как фаза колебаний ГУН и его частота связаны между собой интегральным соотношением (3), для удобства анализа представим уравнение кольца ИФАПЧ в операторном виде. Итак, используя оператор Лапласа p, получаем:
(3')
|
Отклонение фазы напряжения на выходе ДПКД:
(4)
Это изменение фазы вызывает следующее изменение напряжения на выходе ИФД:
(5)
Как было сказано, напряжение uИФД определяется разностью фаз последовательностей импульсов, поступающих с ДПКД и ДФКД (рис.5).
Рис.5. Временные диаграммы напряжений на входах ИФД
Обычно ИФД имеют линейную характеристику с постоянной крутизной SИФД (рис.6). Величина uИФДmax зависит от используемых логических схем (в пределах 2¸5 В), так что
Изменение напряжения на управляющем элементе
(6)
где 
, 
– коэффициенты передачи усилителя напряжения
и ФНЧ.
Напряжение 
вызывает изменение расстройки 
, вносимой в контур ГУНа:
(7)
Рис.6. Характеристика ИФД
Крутизна 
имеет размерность [Гц/В] и зависит от частоты ГУНа, поскольку управление им нелинейно.
Подставив (7), (6), (5) и (4) в (2′), получаем основное уравнение синтезатора с ИФАПЧ:
(8)
Обозначим в нем коэффициент передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ (разрыв происходит на линии ГУН – УЭ, рис.4):
|
Величина частоты среза кольца ИФАПЧ
Тогда
(9)
Перейдем к исследованию частотных характеристик синтезаторов с ИФАПЧ, исключив для упрощения ФНЧ. Для этого положим 
.
Если на частоту ГУНа действует помеха с угловой частотой 
, реакцию кольца ИФАПЧ находим, подставляя в (9) 
:
(10)
причем 
или 
Если использовать для F логарифмическую шкалу, получим следующую зависимость коэффициента передачи от lg F (рис.7).
Рис.7. Коэффициент передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ
В логарифмическом масштабе коэффициент передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ без ФНЧ – прямая с наклоном 20 дБ/декада, где под декадой понимают изменение частоты помехи в 10 раз. Это классическая зависимость коэффициента передачи 
систем автоматического управления первого порядка. Наклон частотной характеристики обусловлен тем, что регулирующий фактор – фаза связан интегральным соотношением с регулируемым параметром – частотой.
На частоте среза F′ отклонение частоты будет ослаблено кольцом ИФАПЧ в 
раз (на 3 дБ). На частотах F > F’ кольцо не подавляет флуктуации частоты ГУНа. Эффективное подавление в 10 и более раз происходит на частотах ниже F′/10: на частоте F′/10 – на 20 дБ, увеличиваясь с каждой декадой еще на 20 дБ. Поэтому зону частот ниже F′/10 называют полосой эффективного регулирования синтезатора (на рис.7 заштрихована).
При перестройке ГУНа с одной частоты на другую (F = 0) кольцо ИФАПЧ полностью компенсирует расстройку.
Изменение энергетического спектра ГУНа, охваченного кольцом ИФАПЧ, иллюстрирует рис.8. В полосе эффективного регулирования наблюдается заметное сужение спектральной линии.
Рис.8. Сжатие спектральной характеристики АГ, охваченного кольцом ИФАПЧ
Продолжим рассматривать пример синтезатора диапазона 925…960 МГц с fс = 100 кГц, определим для него 
Напомним, что 
Размах напряжения 
позволяет вести перестройку частоты в диапазоне
Среднее значение крутизны ГУНа 
Частота
|
.
Следовательно, полоса эффективного регулирования составляет 60 Гц.
Теперь перейдем к исследованию переходных характеристик синтезатора с ИФАПЧ.
Наличие в кольце ИФАПЧ инерционного интегрирующего звена приводит к появлению запаздывания в работе синтезатора. При выключенном ФНЧ, подставив в выражение (9) KФНЧ и заменив оператор p на d/dt, получаем:
(11)
Рассмотрим случай перестройки синтезатора с одной частоты на другую, например, на 
.
Тогда
(12)
|
.
Временная зависимость переходного процесса показана на рис.9.
Рис.9. Установление частоты в ГУНе
Время перестройки синтезатора 
можно оценить из соотношения
или 
. В рассмотренном ранее примере
Полученные соотношения показывают, что с уменьшением частоты сетки сужается зона эффективного регулирования и возрастает время переходного процесса. Поэтому при построении синтезаторов с мелкой сеткой используют более сложные структуры, чем схема на рис.4. Мелкую сетку получают в отдельном синтезаторе, а потом вводят ее в основное кольцо с помощью смесителей.