Осцилатор промјенљиве фреквенције

Осцилатор променљиве фреквенције (ОПФ) у електроници је осцилатор чија се фреквенција може подесити преко неког опсега. То је неопходна компонента у сваком подесивом радио пријемнику или предајнику који ради по суперхетеродинском принципу, и контролише фреквенцију на коју је подешен апарат.

А Хеатхкит аматеур радио трансмиттер цирца 1969, wитх еxтернал ВФО

Намјена

На једноставан пријемник суперхет радија, долазећа радио фреквенција сигнала (на фреквенцији $f_{IN}$) са антеном се меша са ОПФ и излазним сигналом подешеним на $f_{LO}$, производећи међуфреквенцију (intermediate frecvency - ИФ). Међуфреквенција сигнала је изабрана тако да буде или збир двије фреквенције на улазу ($f_{IN}+f_{LO}$) или чешће разлика фреквенција ($f_{IN}-f_{LO}$) у зависности од дизајна пријемника.

Поред жељеног међуфреквентног сигнала и његове нежељене слике (мјешање производа супротног знака), миксер излаза ће такође садржати две оригиналне фреквенције $f_{IN}$ и $f_{LO}$ и разне комбинације улазних хармоника сигнала. Ови нежељени сигнали су одстрањени ИФ-филтром. Ако је двоструки уравнотежени миксер активан, улазни сигнали који се појављују на излазима миксера су пуно пригушени, смањујући потребну изложеност ИФ-филтра. Предност коришћења ОПФ као хетеродног осцилатора је да само мали дио радио пријемника (у дијелу пре миксера, као што је појачало) треба да има широки опсег. Остатак филтра може се фино подесити на ИФ фреквенцији.

У пријемнику са директном конверзијом ОПФ је подешен на истој фреквенцији као и долазна радио фреквенција ($f_{IF}=0{Hz}$). Демодулација се обавља коришћењем нископропусних филтара и појачала . У радиофреквенцијском (РФ) предајнику, ОПФ се често користи за подешавање фреквенције излазног сигнала, понекад посредно кроз хетродински процес сличном оном горе описаном. У осталим случајевима користимо их у цвркут генераторима за радарске системе гдје осцилатор пролази врло брзо кроз низ фреквенција, време генерисања сигнала за осцилоскопе и рефлексију временског домена и промјенљивих генератора аудио фреквенција који се користе у музичким инструментима и аудио опреми.

Постоје две основне врсте ОПФ у употреби: аналогни и дигитални.

Аналогни ОПФ

Аналогни ОПФ је електронски осцилатор, гдје је вредност бар једног подесива под контролом корисника тако да мјења своју фреквенцију излаза. Пасивна компонента чија се вредност може подешавати је обично кондензатор, али би могао да буде и промјенљиви калем.

Промјенљиви кондензатор

Промјенљиви кондензатор (енгл. Tuning capacitor) је механички уређај коме се мијењањем размака плоча мијења капацитивност. Подешавање овог кондезатора је понекад олакшано механичким step-down мењачем како би се постигло фино подешавање.

Варикап диода

Обрнуто-поларисана полупроводничка диода (енгл. varactor) показује капацитивност. Будући да ширина њеног непроводног подручја зависи од јачине инверзног напона који се прикључи, тај напон се може користити за контролу капацитивности. Варактор преднапон се може генерисати на више начина, и не мора да има значајних покретних делова у коначном дизајну.Варактори имају низ недостатака укључујући температуру дрифта и старење, ниски Q-фактор и нелинеарност.

Дигитални кристални ОПФ

Савремени радио пријемници и предајници обично користе неки облик дигиталне синтезе фреквенција да генеришу сигнал ОПФ. Предности укључују мање пројекте, недостатак покретних делова, као и лакоћа којом се фреквенције са лакоћом могу ускладиштити и манипулисати у дигиталном рачунару који је обично уграђен у дизајну за друге сврхе.

Такође је могуће да радио постане фреквентно агилан у томе да контролни компјутер мозе да промјени фреквенцију подешену на радију неколико десетина,хиљада чак и милиона пута у секунди. Ова могућност пријемника дозвољава ефикасно праћење различитих врста канала истовремено користећи дигитални селективни позив технике да одлучи када ће отворити излазни аудио канал и обавјестити корисника о долазном сигналу. Унапред програмирана фреквентна агилност такође представља основу неког војног радија и стелт технике . Екстремна фреквентна агилност лежи у срцу проширеног спектра техника које су стекли редовну употребу у умреживању рачунара, као што су бежични Wi-Fi.

Постоје недостаци дигиталне синтезе попут немогућности дигиталних синтисајзера да се подесе добро све фреквенције, али уз каналисање радијских опсега, то се такође може видјети као предност тиме што спречава радио да функционише између два детектована канала. Дигитална фреквентна синтеза се ослања на стабилним кристално контролисаним изворима референтних фреквенција. Осцилатори контролисани кристалом су стабилнији од индуктивно и капацитивно контролисаних осцилатора. Мана им је што мјењање фреквенције захтјева промјену кристала , али учесталост синтисајзер технике учинили су то непотребним у новијем дизајну .

Дигитална фреквентна синтеза

Електронске и дигиталне технике које су укључене у ово су:

• Директна дигитална синтеза

Доста података за математичке синусне функције су сачувани у дигиталној меморији. Она је подешена на одговарајућу брзину и храни дигитални аналогни конвертор гдје се потребан синусни талас изгради .

• Директна фреквентна синтеза

Вишеструки кристали могу да се мешају у различитим комбинацијама да произведу различите излазне фреквенције.

• Фазна петља (ПЛЛ)

Коришћењем варактора или напонски контролисаног осцилатора (НКО) и фазног детектора контролне петље могу бити подешене тако да је НКО излаз фреквенцијски закључан у кристално контролисаном референц- осцилатору. Фаза детектора направи поређење између резултата два осцилатора након што фреквенција подели стране различитих извора. затим мијењањем фреквенције под контролом рачунара, широк спектар излазних фреквенција ОПФ може бити генерисан.

Перформансе

Критеријуми квалитета ОПФ укључују стабилност фреквенције, фазу шума и спектралну чистоћу. Сви ови фактори имају тенденцију да буду обрнуто пропорционални фактору доброте Q. Пошто је у цјелини подешавање опсега такође пропорционално Q фактор доброте ОПФ ће се погоршавати са порастом фреквенциског опсега.

Стабилност

Стабилност је мјера колико се излазна фреквенција једног ОПФ помјери са временом и температуром. Да би се ублажио овај проблем ОПФ су фазно закључани до стабилизације референтног осцилатора. ПЛЛ користи негативну повратну спрегу за поправку фреквенциског дрифта на ОПФ и омогућава широк спектар промјенљиве фреквенције и добру стабилност.

Поновљивост

У идеалном случају у истом контролном улазу у ОПФ осцилатор треба да генерише потпуно исту фреквенцију. Промјена у калибрацији ОПФ може промијенити калибрацију пријемника; повремено подешавање пријемника је потребно. ОПФ који се користи као дио фазног синтисајзера фреквенције имају мање строге захтјеве јер је систем стабилан, кристал контролише референтну фреквенцију.

Чистоћа

График амплитуде ОПФ са фреквенцијом може показати неколико врхова вероватно хармонично повезаних.Сваки од ових врхова може се потенцијално мијешати са другим долазним сигналом и производити лажни сигнал. Ово може довести до повећања шума или постојања два сигнала тамо гдје треба да постоји само један. Додатни дјелови могу да се додају на ОПФ да сузбије високе фреквенције паразитских осцилација. У предајнику ови лажни сигнали се генеришу са зељеним сигналом.Филтрирање може захтјевати да се преносни сигнал задовољава прописе за пропусни опсег и споредне емисије.

Кристална контрола

У свим случајевима, кристално контролисани осцилатори су се боље понашали од полупроводника и LC-алтернативе. Они имају тенденцију да буду стабилнији, више поновљиви , имају све мање и мање хармоније и мањи шум од свих алтернатива у њиховој групи. Ово дјелом објашњава њихову огромну популарност у јефтиним и компјутерски контролисаном (ПЛЛ и сyнтхесизер-басед ) ОПФ.

Литература

• Ларрy D. Wолфганг, ур. (1991). Тхе АРРЛ Хандбоок фор Радио Аматеурс, Сиxтy-Еигхтх Едитион. Неwингтон, Цоннецтицут: Америцан Радио Релаy Леагуе. Цхаптер 10. ИСБН 978-0-87259-168-4.