Кіріспе

Электроникада жиілігін өзгертуге болатын осциллятор (VFO) – жиілігі белгілі бір диапазон ішінде өзгертілетін (яғни, реттелетін) осциллятор. Ол кез келген реттелетін радио хабар таратушысының және супергетеродин принципі бойынша жұмыс істейтін қабылдағыштардың қажетті құралы болып табылады. Осциллятор аппараттың қай жиілікке реттелгенін анықтайды.

Мақсаты

Қарапайым супергетеродинді қабылдағышта антеннадан келетін радиожиілік сигналы (белгілі бір жиілікте) VFO шығыс сигналымен араластырылады, нәтижесінде модульденген ақпаратты алу үшін келесі сатыларда өңделетін аралық жиілік (IF) сигналы пайда болады. Қабылдағыштың конструкциясына байланысты, IF сигналының жиілігі микшердің кірісіндегі екі жиіліктің қосындысы (жоғары жиілікті түрлендіру) немесе, көбінесе, айырмашылық жиілігі (төмен жиілікті түрлендіру) ретінде таңдалады. Қажетті IF сигналымен қатар, оның қаламаған «көлеңкесі» (қарсы таңбалы араласу өнімі) де пайда болады. Микшердің шығысында бастапқы екі жиілік және кіріс сигналдарының түрлі гармоникалық комбинациялары да болады. Бұл қажетсіз сигналдар IF фильтрімен сүзіліп тасталады. Егер екі баланды араластырғыш қолданылса, араластырғыш шығысындағы кіріс сигналдары күрт әлсірейді, бұл IF фильтрінің күрделілігін азайтады. VFO-ны гетеродиндік осциллятор ретінде пайдаланудың артықшылығы – радио қабылдағыштың аз бөлігі ғана (мысалы, алдын ала күшейткіш сияқты араластырғышқа дейінгі бөлімдер) кең жолақты болуы керек. Қалған қабылдағышты IF жиілігіне дәл баптауға болады. Тікелей түрлендіру қабылдағышында VFO келіп түсетін радиожиілікпен және 0 Гц-бен бірдей жиілікке реттеледі. Демодуляция төмен өткізгіш фильтрлер мен күшейткіштерді пайдалану арқылы базалық жолақта жүзеге асырылады. Радиожиілік (RF) таратушысында VFO шығыс сигналының жиілігін реттеу үшін жиі қолданылады, көбінесе жоғарыда сипатталғандай гетеродиндік процестер арқылы. Сондай-ақ, осциллографтар мен уақыт доменіндегі рефлектометрлер үшін уақыт сигналын жасауға, музыкалық аспаптар мен аудио сынақ құралдарында қолданылатын өзгермелі жиілікті аудио генераторларына қолданылады.

Түрлері

Қазіргі кезде қолданыста VFO-ның екі негізгі түрі бар: аналогтық және цифрлық.

Аналогты VFO

Аналогты VFO – пайдаланушы бақылауымен шығыс жиілігін өзгерту үшін кем дегенде бір пассивті компонентінің шамасы реттелетін электронды осциллятор. Шамасы реттелетін пассивті компонент әдетте конденсатор болады, бірақ өзгермелі индуктор да болуы мүмкін.

Тюнингтік конденсатор

Өзгермелі конденсатор – бір-бірімен кезегімен орналасқан металл пластиналардың арақашықтығы физикалық түрде өзгертіліп, сыйымдылығын өзгертуге арналған механикалық құрылғы. Бұл конденсаторды дәл реттеу үшін кейде механикалық редуктор қолданылады. Варакторлардың температураға тәуелділік, ескіру, электрондық шу, төмен сапа коэффициенті (Q факторы) және сызықтық еместік сияқты бірнеше кемшіліктері бар.

Цифрлық VFO

Қазіргі заманғы радио қабылдағыштар мен хабар таратушылар көбінесе VFO сигналын жасау үшін цифрлық жиілік синтезінің бір түрін қолданады. Оның артықшылықтарына кішкентай конструкция, жылжымалы бөліктердің болмауы, белгіленген жиіліктің эталондық осцилляторларының жоғары тұрақтылығы және әдетте дизайнға енгізілген цифрлық компьютерде жиіліктерді сақтау мен өңдеудің қарапайымдығы жатады. Радионың жиілікті өте еркін өзгертуге мүмкіндігі бар, себебі басқару компьютері радионың реттелген жиілігін секундына ондаған, мыңдаған тіпті миллиондаған рет өзгерте алады. Бұл мүмкіндік байланыс қабылдағыштарына бір уақытта көптеген арналарды тиімді түрде бақылауға және кіріс хабарламалар туралы пайдаланушыларды ескерту үшін аудио шығу арнасын қашан ашу керектігін анықтауға көмектесетін цифрлық селективті шақыру (DSC) техникаларын пайдалануға мүмкіндік береді. Алдын ала бағдарламаланған жиілік еркіндігі кейбір әскери радио шифрлау және жасырындық техникаларының негізін құрайды. Жоғары жиілік еркіндігі Wi-Fi сияқты компьютерлік сымсыз желілерде кең таралған кең спектрлі техникалардың негізі болып табылады. Цифрлық синтездің кемшіліктері де бар, мысалы, цифрлық синтезатордың барлық жиіліктерді тегіс түрде реттеуге қабілетсіздігі, бірақ көптеген радиожолақтарды арнаға бөлу арқылы бұл кемшілік артықшылыққа айналуы мүмкін, себебі ол радионың екі танылған арнаның арасында жұмыс істеуіне жол бермейді. Цифрлық жиілік синтезі тұрақты кристалдық басқарылатын эталондық жиілік көздеріне сүйенеді. Кристаллдық басқарылатын осцилляторлар индуктивті және сыйымдылықпен басқарылатын осцилляторлардан тұрақтырақ. Олардың кемшілігі – жиілікті өзгерту (шамалы емес) кристалды өзгертуді қажет етеді, бірақ жиілік синтезі техникасы қазіргі заманғы дизайнмен бұл қажеттілікті жойды.

Өнер көрсету

VFO сапасының көрсеткіштері жиілік тұрақтылығы, фазалық шу және спектрлік тазалықты қамтиды. Бұл факторлардың барлығы көйлеу тізбегінің сапа факторына (Q факторына) кері пропорционалды. Баптау диапазоны да әдетте сапа факторына кері пропорционалды болғандықтан, VFO жиілік диапазоны кеңейген сайын осы көрсеткіштер нашарлайды.

Тұрақтылық

Тұрақтылық – VFO шығыс жиілігінің уақыт өте келе және температураға байланысты қаншалықты өзгеріп, қабысатынының көрсеткіші.

Қайталану мүмкіндігі

Идеалды жағдайда, VFO-ға бірдей басқару сигналы берілгенде, осциллятор дәл сол жиілікті шығаруы тиіс. VFO калибровкасының өзгеруі қабылдағыштың калибровкасын өзгерте алады; қабылдағышты мерзімді түрде қайта баптау қажет болуы мүмкін. Фазалық құлыпталған жиілік синтезаторының құрамында қолданылатын VFO-ларға талаптар азырақ, себебі жүйенің тұрақтылығы кристаллмен бақыланатын эталондық жиілікке байланысты.

Тазалық

VFO амплитудасы мен жиілігінің графигі бірнеше шыңдарды көрсетуі мүмкін, олар гармониялық байланыста болуы ғажап емес. Осы шыңдардың әрқайсысы басқа келіп түсетін сигналмен араласып, қате жауап тудыруы мүмкін. Бұл қате сигналдар (кейде "шұбырттар" деп те жазылады) шудың артуына немесе бір сигналдың орнына екі сигналдың анықталуына себеп болуы мүмкін. Егер жоғары жиілікті паразиттік осцилляциялар пайда болса, оларды жою үшін VFO-ға қосымша компоненттер қосылуы мүмкін. Трансмиттерде бұл қате сигналдар қажетті сигналмен бірге пайда болады. Таратылатын сигналдың өткізу қабілеті және қате сәулелену нормаларына сәйкес келетінін қамтамасыз ету үшін сүзгілеу қажет болуы мүмкін.

Фазалық шу

Өте сезімтал жабдықпен тексерілген кезде, VFO жиілік графигіндегі таза синустық толқын шыңы, әдетте, тегіс шу деңгейінде болмайды. Сигналдың уақытындағы шағын, кездейсоқ "жітілдер" шыңның қажетті жиіліктің екі жағындағы фазалық шудың "шеттерінде" орналасқандығын көрсетеді. Бұл тығыз толқындарда да проблема тудырады. Олар күтілетін сигналға жақын болатын қажетсіз сигналдарды өткізіп жібереді, бірақ осы фазалық шудың кездейсоқ сипатынан сигналдар көбінесе түсініксіз болып келеді, алынған сигналда қосымша шу ретінде пайда болады. Соның салдарынан, тығыз толқындарда таза сигнал болуы керек болса, жақын жердегі күшті сигналдардың әсерінен өте шулы сигнал болып сезілуі мүмкін. VFO фазалық шуының бергішке әсері – қажетті сигналдың екі жағына да кездейсоқ шудың таратылуы. Көп жағдайда бұдан заң бойынша аулақ болу қажет.

Жиілік көрсеткіші

Цифрлық немесе цифрлық басқарылатын генераторлар әдетте жартылай өткізгіштік және LC схемаларына негізделген баламалардан жоғары стандарттағы тұрақты бір жиіліктік эталонға сүйенеді. Көбінесе кварц кристалды генератор қолданылады, бірақ TDMA ұялы желілері сияқты жоғары дәлдік талап ететін қолданыстарда, 2018 жылдан бастап рубидий стандарты сияқты атомдық сағаттар да жиі қолданылады. Қолданылатын эталонның тұрақтылығының арқасында, цифрлық генераторлар ұзақ мерзімде тұрақтырақ және қайталанатын болады. Бұл олардың төмен құнмен және компьютерлік басқарудағы VFO-ларда кең танымалдылығын түсіндіреді. Ал қысқа мерзімде цифрлық жиілікті бөлу және көбейтуден (життер) туындайтын қателер, сондай-ақ кварц стандартының акустикалық соққыларға, температура өзгерісіне, ескіруіне және тіпті радиацияға сезімталдығы, қарапайым цифрлық генератордың қолданылуын шектейді. Сондықтан жоғары деңгейдегі VFO-лар, мысалы, атомдық уақытқа синхронды радиожиіліктік передачалар, әртүрлі эталонды біріктіруге және күрделі әдістерді қолдануға бейім. Рубидий немесе цезий сағаттары сияқты кейбір эталонды ұзақ мерзімді тұрақтылықты қамтамасыз етеді, ал сутегі мазерлері сияқты басқалары қысқа мерзімді фазалық шуды азайтады. Содан кейін төмен жиілікті (демек, төмен құнды) генераторлар бас сағаттың цифрлық бөлінген нұсқасына фазалық синхрондылықпен қосылып, VFO шығысын қамтамасыз етеді, бөлу алгоритмдерінен туындаған шуды тегістейді. Мұндай құрылым нақты эталонның ұзақ мерзімді тұрақтылығы мен қайталануын, нақты цифрлық жиілікті таңдаудың артықшылықтарын және тіпті кездейсоқ жиілікті аналогтық сигналға да қысқа мерзімді тұрақтылықты береді – барлық жақсы қасиеттердің жиынтығы.