Oscillator med variabel frekvens

En Heathkit amatörradiosändare ca 1969 , med extern VFO

En oscillator med variabel frekvens ( VFO ) inom elektronik är en oscillator vars frekvens kan ställas in (dvs. varieras) över ett visst område. Det är en nödvändig komponent i alla avstämbara radiosändare eller mottagare som fungerar enligt superheterodynprincipen och styr frekvensen som apparaten är inställd på.

Syfte

I en enkel superheterodynmottagare blandas den inkommande radiofrekvenssignalen (vid frekvensen $f_{IN}$ ) $f_{LO$ antennen med -utgångssignalen inställd på , producerar en mellanfrekvenssignal (IF) som kan bearbetas nedströms för att extrahera den modulerade informationen. Beroende på mottagardesignen väljs IF-signalfrekvensen att vara antingen summan av de två frekvenserna vid mixeringångarna ( uppkonvertering ), ${IN}+f_{LO} }$ eller vanligare, skillnadsfrekvensen (nedkonvertering), $f_{IN}-f_{LO}$ .

Förutom den önskade IF- signalen och dess oönskade bild (blandningsprodukten med motsatt tecken ovan), kommer mixerutgången också att innehålla de två ursprungliga frekvenserna, $f_{IN}$ och $f_{LO}$ och olika harmoniska kombinationer av ingångssignalerna. Dessa oönskade signaler avvisas av IF- filtret . Om en dubbelbalanserad mixer används, dämpas insignalerna som uppträder vid mixerutgångarna kraftigt, vilket minskar den erforderliga komplexiteten hos IF-filtret.

Fördelen med att använda en VFO som en heterodynerande oscillator är att endast en liten del av radiomottagaren (sektionerna före mixern såsom förförstärkaren) behöver ha en bred bandbredd. Resten av mottagaren kan finjusteras till IF-frekvensen.

I en direktkonverteringsmottagare är VFO:n inställd på samma frekvens som den inkommande radiofrekvensen och $IF}=0}$ { Demodulering sker vid basband med hjälp av lågpassfilter och förstärkare .

I en radiofrekvenssändare (RF) används VFO ofta för att ställa in frekvensen på utsignalen, ofta indirekt genom en heterodyningsprocess liknande den som beskrivs ovan. Andra användningsområden inkluderar chirp- generatorer för radarsystem där VFO:n svepas snabbt genom en rad frekvenser, timingsignalgenerering för oscilloskop och tidsdomänreflektometrar och ljudgeneratorer med variabel frekvens som används i musikinstrument och ljudtestutrustning.

Typer

Det finns två huvudtyper av VFO som används: analog och digital .

Analoga VFO:er

En analog VFO är en elektronisk oscillator där värdet på minst en av de passiva komponenterna är justerbart under användarkontroll för att ändra dess utfrekvens. Den passiva komponenten vars värde är justerbart är vanligtvis en kondensator , men kan vara en variabel induktor .

Avstämningskondensator

Den variabla kondensatorn är en mekanisk anordning där separationen av en serie interfolierade metallplattor fysiskt ändras för att variera dess kapacitans . Justering av denna kondensator underlättas ibland av en mekanisk nedtrappningslåda för att uppnå finjustering.

Varactor

En omvänt förspänd halvledardiod uppvisar kapacitans . Eftersom bredden på dess icke-ledande utarmningsområde beror på storleken på den omvända förspänningen, kan denna spänning användas för att styra övergångskapacitansen. Varaktorförspänningen kan genereras på ett antal sätt och det kan behövas inga betydande rörliga delar i den slutliga designen. Varaktorer har ett antal nackdelar inklusive temperaturdrift och åldrande, elektroniskt brus, låg Q-faktor och icke-linjäritet.

Digitala VFO:er

Moderna radiomottagare och sändare använder vanligtvis någon form av digital frekvenssyntes för att generera sin VFO-signal. Fördelarna inkluderar mindre konstruktioner, avsaknad av rörliga delar, högre stabilitet hos inställda frekvensreferensoscillatorer och den lätthet med vilken förinställda frekvenser kan lagras och manipuleras i den digitala datorn som i alla fall vanligtvis är inbäddad i konstruktionen.

Det är också möjligt för radion att bli extremt frekvensagil genom att styrdatorn kan ändra radions inställda frekvens många tiotals, tusentals eller till och med miljoner gånger i sekunden. Denna förmåga tillåter kommunikationsmottagare att effektivt övervaka många kanaler samtidigt, kanske med hjälp av digitala selektiva anrop ( DSC )-tekniker för att bestämma när en ljudutgångskanal ska öppnas och varna användare om inkommande kommunikation. Förprogrammerad frekvensagilitet utgör också grunden för vissa militära radiokryptering och smygtekniker. Extrem frekvensflexibilitet ligger i hjärtat av spridningstekniker som har vunnit allmän acceptans inom trådlösa datornätverk som Wi-Fi .

Det finns nackdelar med digital syntes som att en digital synthesizer inte kan ställa in smidigt genom alla frekvenser, men med kanaliseringen av många radioband kan detta också ses som en fördel genom att det hindrar radioapparater från att fungera mellan två igenkända kanaler .

Digital frekvenssyntes bygger på stabila kristallkontrollerade referensfrekvenskällor. Kristallkontrollerade oscillatorer är mer stabila än induktivt och kapacitivt styrda oscillatorer. Deras nackdel är att ändring av frekvens (mer än en liten mängd) kräver att kristallen ändras, men frekvenssyntestekniker har gjort detta onödigt i modern design.

Digital frekvenssyntes

De elektroniska och digitala teknikerna som är involverade i detta inkluderar:

Direkt digital syntes (DDS): Tillräckligt med datapunkter för en matematisk sinusfunktion lagras i digitalt minne. Dessa återkallas med rätt hastighet och matas till en digital-till-analog-omvandlare där den nödvändiga sinusvågen byggs upp.
Direkt frekvenssyntes: Tidiga kanaliserade kommunikationsradioapparater hade flera kristaller - en för varje kanal som de kunde arbeta på. Efter ett tag kombinerades detta tänkande med de grundläggande idéerna om heterodyning och blandning som beskrivs under syfte ovan. Flera kristaller kan blandas i olika kombinationer för att producera olika utfrekvenser.
Faslåst slinga (PLL): Med hjälp av en varaktorstyrd eller spänningsstyrd oscillator (VCO) (beskrivs ovan i varaktor under analog VFO -teknik) och en fasdetektor kan en kontrollslinga ställas in så att VCO:ns utgång är frekvens- låst till en kristallstyrd referensoscillator. Fasdetektorns jämförelse görs mellan utsignalerna från de två oscillatorerna efter frekvensdelning med olika divisorer. Genom att sedan ändra frekvensdelningsdivisorn(erna) under datorstyrning kan en mängd faktiska (odelade) VCO-utgångsfrekvenser genereras. PLL-tekniken dominerar de flesta radio VFO-designer idag.

Prestanda

Kvalitetsmåtten för en VFO inkluderar frekvensstabilitet, fasbrus och spektral renhet. Alla dessa faktorer tenderar att vara omvänt proportionella mot avstämningskretsens Q-faktor . Eftersom avstämningsområdet i allmänhet också är omvänt proportionellt mot Q, försämras dessa prestandafaktorer i allmänhet när VFO:ns frekvensområde ökas.

Stabilitet

Stabilitet är måttet på hur långt en VFO:s utfrekvens driver med tid och temperatur. För att mildra detta problem är VFO:er i allmänhet "faslåsta" till en stabil referensoscillator. PLL:er använder negativ återkoppling för att korrigera för frekvensdriften hos VFO:n, vilket möjliggör både brett avstämningsområde och god frekvensstabilitet.

Repeterbarhet

Idealiskt, för samma styringång till VFO:n, bör oscillatorn generera exakt samma frekvens. En förändring i kalibreringen av VFO:n kan ändra mottagarens kalibrering; periodisk omjustering av en mottagare kan behövas. VFO:er som används som en del av en faslåst slingfrekvenssyntes har mindre stränga krav eftersom systemet är lika stabilt som den kristallkontrollerade referensfrekvensen.

Renhet

En kurva över en VFO:s amplitud kontra frekvens kan visa flera toppar, förmodligen harmoniskt relaterade. Var och en av dessa toppar kan potentiellt blandas med någon annan inkommande signal och producera ett falskt svar. Dessa spurii (ibland stavat spuriae ) kan resultera i ökat brus eller två signaler som upptäcks där det bara borde finnas en. Ytterligare komponenter kan läggas till en VFO för att undertrycka högfrekventa parasitsvängningar, om dessa skulle vara närvarande.

I en sändare genereras dessa falska signaler tillsammans med den önskade signalen. Filtrering kan krävas för att säkerställa att den överförda signalen uppfyller bestämmelserna för bandbredd och falska emissioner.

Fasbrus

Vid undersökning med mycket känslig utrustning kommer den rena sinusvågstoppen i en VFO:s frekvensgraf med största sannolikhet att visa sig inte sitta på ett plant brusgolv . Små slumpmässiga " jitter " i signalens timing kommer att innebära att toppen sitter på "skirts" av fasbrus vid frekvenser på vardera sidan av den önskade.

Dessa är också besvärliga i fullsatta band. De släpper igenom oönskade signaler som är ganska nära den förväntade, men på grund av den slumpmässiga kvaliteten hos dessa fasbrus-"kjolar" är signalerna vanligtvis oförståeliga och uppträder precis som extra brus i den mottagna signalen. Effekten är att det som borde vara en ren signal i ett trångt band kan verka vara en mycket brusig signal, på grund av effekterna av starka signaler i närheten.

Effekten av VFO-fasbrus på en sändare är att slumpmässigt brus faktiskt sänds på vardera sidan av den önskade signalen. Återigen måste detta undvikas av juridiska skäl i många fall.

Frekvensreferens

Digitala eller digitalt styrda oscillatorer förlitar sig vanligtvis på konstanta enstaka frekvensreferenser, som kan göras till en högre standard än halvledar- och LC-kretsbaserade alternativ. Oftast används en kvartskristallbaserad oscillator, även om atomklockor som Rubidium-standarden från och med 2018 också är vanliga i applikationer med hög noggrannhet som TDMA - mobilnätverk .

På grund av stabiliteten hos referensen som används tenderar digitala oscillatorer själva att vara mer stabila och mer repeterbara på lång sikt. Detta förklarar delvis deras enorma popularitet inom lågkostnads- och datorstyrda VFO:er. På kortare sikt begränsar de ofullkomligheter som introduceras av digital frekvensdelning och multiplikation ( jitter ), och den vanliga kvartsstandardens känslighet för akustiska stötar, temperaturvariationer, åldrande och till och med strålning, tillämpbarheten av en naiv digital oscillator.

Det är därför högre ände VFO:er som RF- sändare låsta till atomtid tenderar att kombinera flera olika referenser och på komplexa sätt. Vissa referenser som rubidium- eller cesiumklockor ger högre långtidsstabilitet, medan andra som vätemasrar ger lägre korttidsfasbrus. Sedan levererar oscillatorer med lägre frekvens (och därmed lägre kostnad) faslåsta till en digitalt uppdelad version av masterklockan den slutliga VFO-utgången, och jämnar ut bruset som induceras av divisionsalgoritmerna. Ett sådant arrangemang kan sedan ge all den långsiktiga stabiliteten och repeterbarheten för en exakt referens, fördelarna med exakt digitalt frekvensval och den kortsiktiga stabiliteten, förmedlad även på en godtycklig frekvens analog vågform - den bästa av alla världar.

Se även