Hoe werkt toch een synthesizer?
Er komen hoe langer hoe meer ontvangers en transceivers op de markt die voorzien zijn van een synthesizer.
Waarop berust nu de werking van de schakeling die wij tegenwoordig synthesizer noemen en wat doen al die IC's daarin?
Wel, het principe van de synthesizer is het vergelijken van de frequentie en de fase van de hoofdoscillator met een vaste referentie frequentie en, wanneer we daar een verschil vaststellen, een regelspanning op to wekken die de hoofdoscillator weer in de pas brengt met de referentie oscillator.
De referentie oscillator is dus bepalend voor de stabiliteit en de grondfrequentie wordt zo gekozen dat het kristal dat hiervoor gebruikt wordt de voor de stabiliteit meest gunstige kristalsnede kan hebben.
We zullen nu eerst eens bekijken hoe we de frequenties kunnen vergelijken en hoe daaruit de regelspanning tot stand komt.
De vergelijkschakeling
We voeren de twee frequenties toe aan een vergelijkschakeling die bestaat uit een flip flop. We laten nu de ene frequentie de flip flop inschakelen en de tweede frequentie de flip flop weer uitschakelen. Uit de flip flop komt nu een blokgolf waarvan de verhouding tussen de tijd dat deze spanning afgeeft en de tijd dat er aan de uitgang geen spanning is bepaald wordt door het tijdstip van in- en uitschakelen van de FF. Zijn beide frequenties gelijk en in fase, zoals getekend in figuur 1, dan zal de uitgangsspanning van de flip flop gelijk zijn aan de ingangsspanningen, een blokgolf 50:50.
Fig. 1.
De gemiddelde spanning van een 50:50 blok is precies de halve topspanning. Gaan de toegevoerde frequenties nu in frequentie of in fase van elkaar afwijken, dan vallen de flanken van de blokken niet meer samen en zullen de blokken aan de uitgang afwijken van de 50:50 verhouding. Dit betekent dat de gemiddelde spanning niet meer gelijk aan de halve topspanning is, maar een hogere of lagere waarde heeft.
Wordt Fl hoger dan F2, dan zal de voorflank van Fl naar voren schuiven en doordat de flanken van F2 op hun plaats blijven zal de inschakeltijd van de flip flop langer worden en dus de gemiddelde uitgangsspanning hoger.
Wordt daarentegen Fl lager dan F2, dan zal de voorflank van Fl naar achteren schuiven, het uitgangsblok dus korter en de gemiddelde uitgangsspanning zal dalen.
Voeren we nu de uitgangsspanning van de flip flop goed afgevlakt (en eventueel versterkt) toe aan de capaciteitsdiode van een VCO (voltage controlled oscillator, spannings geregelde oscillator), dan zien we dat, wanneer de gemiddelde uitgangsspanning hoger wordt, de capaciteit van de diode afneemt en de VCO dus verstemd wordt naar een hogere frequentie.
Bij lagere uitgangsspanning gebeurt precies het tegengestelde; de capaciteit van de diode neemt toe en de VCO wordt verstemd naar een lagere frequentie.
We hebben gezien dat de uitgangsspanning hoger werd wanneer Fl hoger werd dan F2 (of wat hetzelfde is F2 lager dan Fl) en we hebben daarna geconstateerd dat de VCO frequentie in dit geval hoger wordt; wanneer we dus Fl voor de referentie frequentie kiezen en F2 als VCO frequentie aanhouden, dan zien we dat de VCO frequentie naar de referentie frequentie toegetrokken wordt. U kunt nu zelf eenvoudig beredeneren dat dit alles ook van toepassing is op het omgekeerde geval, nl. wanneer Fl lager wordt dan F2.
Dit is dan eigenlijk het hart van de synthesizer en een hier gekozen voorbeeld; er zijn andere uitvoeringen die echter in wezen op hetzelfde neerkomen. De rest van de synthesizer bestaat uit een X-tal oscillator voor de referentie frequentie en een aantal delers om de referentie frequentie en de VCO frequentie aan elkaar gelijk te maken.
De referentie frequentie
Deze wordt bepaald door twee grootheden, nl. de afstand tussen de kanalen en de uitgangsfrequentie van de VCO t.o.v. de eindfrequentie.
Fig. 2.
Kiezen we voor een kanaalafstand van 25 kHz en een VCO frequentie van 144 MHz, dus direkt op de uitgangsfrequentie voor 2 meter, dan is de referentie frequentie ook 25 kHz en we overbruggen de 2 meter band dan in 80 stappen van 25 kHz.
Gaan we echter uit van een kanaalafstand van 25 kHz op 144 MHz, maar met een VCO op 12 MHz (is 144:12), dan wordt de kanaalafstand op 12 MHz 25:12 = 2,083 kHz. Zouden we genoegen nemen met kanaalafstanden van 50 kHz, dan kan de referentie frequentie 25 kHz zijn voor een 144 MHz VCO of 50:12 = 4,16 kHz voor een 12 MHz VCO. Willen we een kleinere kanaalafstand, dan wordt de referentie frequentie naar verhouding lager. We kunnen hier echter niet te ver mee gaan, omd at voor het afvlakken van een lagere frequentie :,en grotere tijdconstante nodig is van het afvlakfilter, maar hierdoor wordt dan ook de stabilisatietijd van de VCO langer. Willen we een heel kleine kanaalafstand, b.v. 10 Hz op 30 MHz, dan maken we gebruik van 2 of meer gekoppelde faselussen.
De instelbare deler
Laten we in ons voorbeeld eens uitgaan van de VCO frequentie 144-146 MHz voor de zender en van 133,3-135,3 MHz voor de ontvanger, dus normale frequenties bij een 10,7 MHz MF.
Om van 144 MHz terug te delen naar 25 kHz moeten we door (144000:25 =) 5760 delen en om van 146 MHz naar 25 kHz te komen delen we door (146000:25 =) 5840.
U ziet het verschil tussen 5840 en 5760 is 80 en we vinden dus in dit gebied 80 kanalen elk 25 kHz ten opzichte van elkaar verschoven.
Voor ontvangst worden de deeltallen dus respectievelijk 133300:25 = 5332 en 135300:25 = 5412; weer 80 kanalen die 25 kHz ten opzichte van elkaar verschoven zijn en die op de oscillatorfrequentie voor ontvangst liggen.
We hebben dus een instelbare deler nodig die kan delen door minimaal 5332 en maximaal door 5840 en waarvan we het deeltal door b.v. duimwielen kunnen instellen.
Om nu bij ontvangst niet steeds de duimwielen te moeten verstellen maken we gebruik van een dubbel stel dat we elektronisch omschakelen.
Voor de referentie frequentie kunnen we volstaan met een vaste deler afhankelijk van de grondfrequentie van het kristal, mits we maar op de referentie frequentie uitkomen. In een blokschema (figuur 2) zetten we uit hoever we nu gekomen zijn.
U ziet het, de synthesizer is geboren. Hoe we de instelbare deler instellen op het juiste deeltal is een kwestie van digitale technieken en inzicht van de ontwerper.
In de praktijk zult u zien dat de VCO frequentie eerst nog door een snelle deler door 4 gedeeld wordt (en dus uiteraard ook de referentie frequentie), maar dat verandert in wezen niets aan het principe; dat is een kwestie van snelheid van de TTL of Cmos logics.
Verdere details vallen buiten het bestek van dit artikel, dat alleen tot doel heeft een antwoord te geven op de vaak gehoorde vraag: hoe werkt toch een synthesizer?
PA0KAM.