Различные типы частотных компонентов имеют различные функции в электронных системах. Каждый из них имеет уникальные принципы работы и работает вместе для достижения различных требований электронных систем к частотным сигналам. Ниже приводится подробное введение в принципы работы общих частотных компонентов в электронных системах:

1. Кварцевый генератор:

Основным компонентом является кварцевый кристалл, работающий на основе пьезоэлектрического эффекта. Когда к двум электродам кварцевого кристалла прикладывается переменное напряжение, кристалл генерирует механические колебания из-за обратного пьезоэлектрического эффекта; механические колебания будут генерировать переменные напряжения на электродах через положительный пьезоэлектрический эффект. Кварцевые кристаллы имеют фиксированную собственную частоту колебаний. Когда частота приложенного переменного напряжения равна собственной частоте, происходит резонанс. В это время амплитуда колебаний кристалла самая большая, а генерируемое переменное напряжение также самое сильное. Разрабатывая подходящую схему, такую как схема генератора Пирса, кристалл объединяется с такими компонентами, как усилители, чтобы резонанс продолжался, тем самым выдавая стабильный частотный сигнал. Например, в материнской плате компьютера кварцевый генератор обеспечивает стабильный тактовый сигнал для системы, чтобы гарантировать, что различные компоненты работают согласованно.

2. Генератор, управляемый напряжением (ГУН):

Принцип работы основан на изменении параметров колебательного контура для достижения изменений выходной частоты. Частоту колебаний обычно регулируют путем изменения значения конденсатора или индуктивности, и это изменение достигается с помощью входного управляющего напряжения. Если взять в качестве примера емкостный VCO, то изменение управляющего напряжения приведет к изменению емкости варакторного диода. Как часть колебательного контура, изменение емкости варакторного диода изменит резонансную частоту колебательного контура, тем самым делая частоту сигнала, выводимого VCO, линейно связанной с входным управляющим напряжением. В системе с фазовой автоподстройкой частоты (PLL) VCO регулирует частоту в соответствии с управляющим напряжением, выводимым фильтром контура, так что частота и фаза выходного сигнала соответствуют опорному сигналу.

3. Синтезатор частот:

• Синтезатор прямой частоты:

Выполняя умножение, деление, смешивание и другие операции над одним или несколькими высокостабильными опорными частотными сигналами, требуемые различные частотные сигналы генерируются напрямую. Используя несколько генераторов с фиксированной частотой, различные комбинации частот выбираются с помощью коммутационных схем, а затем обрабатываются смесителями и фильтрами для получения выходных сигналов разных частот. Его преимуществами являются быстрая скорость преобразования частоты и высокое разрешение по частоте, но из-за необходимости большого количества генераторов и сложных схем стоимость высока, а объем большой.

• Синтезатор частот с фазовой автоподстройкой частоты:

Он в основном состоит из фазового детектора (PD), контурного фильтра (LF), генератора, управляемого напряжением (VCO) и делителя частоты. Фазовый детектор сравнивает фазу выходного сигнала VCO с фазой опорного сигнала и выводит напряжение ошибки, пропорциональное разности фаз; напряжение ошибки фильтруется контурным фильтром и вводится в VCO в качестве управляющего напряжения для регулировки выходной частоты VCO; выходной сигнал VCO делится делителем частоты и возвращается обратно в фазовый детектор и снова сравнивается с опорным сигналом для формирования замкнутой системы. Благодаря непрерывной регулировке частота и фаза выходного сигнала VCO синхронизируются с опорным сигналом, тем самым достигая синтеза частоты.

• Прямой цифровой синтезатор частот (DDS):

Основанный на технологии цифровой обработки сигналов, он использует высокоскоростные цифровые схемы и технологию хранения. Он содержит фазовый аккумулятор, память формы сигнала (ПЗУ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и фильтр нижних частот (ФНЧ). Управляемый тактовым сигналом, фазовый аккумулятор непрерывно накапливает значение фазы; в соответствии с накопленным значением фазы соответствующее значение амплитуды считывается из памяти формы сигнала; эти значения амплитуды преобразуются в аналоговые сигналы через ЦАП, а затем сглаживаются и фильтруются через ФНЧ для получения аналогового выходного сигнала требуемой частоты. DDS может быстро и точно генерировать сигналы различных частот, фаз и амплитуд.

4. Фильтр:

• Пассивный фильтр:

Он состоит из пассивных компонентов, таких как резисторы (R), конденсаторы (C) и индукторы (L). В зависимости от различных комбинаций компонентов и методов подключения формируются фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые или режекторные фильтры. Если взять фильтр нижних частот в качестве примера, конденсатор представляет низкое сопротивление высокочастотным сигналам, а индуктор представляет высокое сопротивление высокочастотным сигналам. Когда входной сигнал проходит через схему фильтра нижних частот, состоящую из конденсаторов и индукторов, высокочастотный сигнал ослабляется, в то время как низкочастотный сигнал может проходить плавно.

• Активный фильтр:

Помимо пассивных компонентов, он также содержит активные устройства (например, операционные усилители). Активные фильтры используют эффекты усиления и буферизации операционных усилителей не только для достижения функций фильтрации, но и для обеспечения усиления и улучшения частотных характеристик. Например, в активном фильтре нижних частот операционный усилитель может усиливать амплитуду сигнала, а при правильном проектировании параметров схемы фильтр может иметь более крутую переходную полосу и лучшие характеристики полосы пропускания.

5. Миксер:

Работает на основе нелинейных характеристик нелинейных устройств (таких как диоды, транзисторы и т. д.). Когда два входных сигнала разных частот (обычно один из них является обрабатываемым входным сигналом, а другой — сигналом локального колебания) одновременно воздействуют на нелинейное устройство, будет сгенерирован ряд новых частотных компонентов, включая суммарную частоту, разностную частоту и их гармоническую комбинацию двух частот входного сигнала. С помощью последующего фильтра выбирается требуемый частотный компонент (такой как суммарная частота или разностная частота) для достижения преобразования частоты сигнала. В супергетеродинном приемнике смеситель смешивает принятый высокочастотный сигнал с сигналом локального колебания и преобразует высокочастотный сигнал в фиксированный сигнал промежуточной частоты для последующей обработки сигнала.

6. Делитель частоты и умножитель частоты:

• Делитель частоты:

В цифровых схемах делители частоты обычно состоят из цифровых логических элементов, таких как триггеры. Если взять в качестве примера простой двухсторонний делитель частоты, то нарастающий или падающий фронт входного сигнала переключает состояние триггера, а частота выходного сигнала триггера составляет половину частоты входного сигнала. Каскадированием нескольких триггеров можно достичь более высоких кратностей деления частоты. В аналоговых схемах функция деления частоты также может быть достигнута с помощью LC-резонансных цепей.

• Множитель частоты:

Это реализуется с использованием характеристик нелинейных устройств. Когда входной сигнал проходит через нелинейное устройство, будут генерироваться гармоники высокого порядка. Требуемые гармонические компоненты высокого порядка могут быть выбраны фильтром для достижения умножения частоты. Например, используя нелинейные элементы, такие как ступенчатые восстановительные диоды, когда проходит входной сигнал, нелинейные характеристики диода будут генерировать богатые гармоники. Конкретная выходная частота гармоники выбирается полосовым фильтром для достижения умножения частоты входного сигнала.