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, wanner we daar een verschil in vaststellen, een regelspanning op te 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 eerst eens bekijken hoe we de frequenties kunnen vergelijken en hoe daaruit de regelspanning tot stand komt.
De vergelijkschakeling
We voeren 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 flip-flop. 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 aan de ingang van de flip-flop 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 is aan de halve topspanning, maar een hogere of een lagere waarde heeft.
Wordt F1 hoger dan F2, dan zal de voorflank van F1 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 spanning hoger.
Wordt daarentegen F1 lager dan F2, dan zal de voorflank van F1 naar achteren schuiven, het uitgangsblok wordt 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, spanningsgeregelde oscillator), dan zien we dat, wanner de gemiddelde uitgangsspanning hoger wordt, de capaciteit van de diode afneemt en de VCO dus verstemd wordt naar een hogere frequentie. Bij een lagere uitgangsspanning neemt de capaciteit van de diode toe en dan gaat de frequentie omlaag.
De referentie-oscillator (kristal) heeft een vaste frequentie en de VCO-frequentie kan verlopen, d.w.z. iets hoger of lager worden dan de referentie-frequentie. Kiezen we de ingangen van de flip-flop juist dan zien we dat de VCO-frequentie naar de referentie-frequentie toegetrokken wordt.
Dit is dan eigenlijk het hart van de synthesizer aan de hand van een hier gekozen voorbeeld; er zijn andere uitvoeringen die echter in wezen op hetzelfde neerkomen. De rest van de synthesizer bestaat uit een kristaloscillator 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. Kiezen we voor een kanaalafstand van 25 kHz en een VCO-frequentie van 144 MHz, dus direct op de uitgangsfrequentie voor 2 meter, dan dient de referentie-frequentie ook 25 kHz te zijn en dan overbruggen we de 2 meterband in 80 stappen van 25 kHz.
Gaan we uit van 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 50 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 omdat dan het afvlakfilter (aan de uitgang van de flip-flop om de gemiddelde spanning te krijgen) een te grote tijdconstante moet krijgen. Hierdoor wordt de inregeltijd van de VCO erg lang. Willen we een heel kleine kanaalafstand, b.v. 10 Hz op 30 MHz, dan maken we gebruik van twee of meer gekoppelde faselussen.
De instelbare deler
Fig. 2.
Laten we in ons voorbeeld eens uitgaan van een frequentie van de VCO van 144..146 MHz voor de zender en van 133,3..135,3 MHz voor de ontvanger, dus de normale frequenties bij een 10,7 MHz middenfrequentie. 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 5760 en 5840 is 80 en we vinden dus in dit gebied 80 kanalen, elk 25 kHz ten opzichte van elkaar verschoven. Voor ontvangst worden de deeltallen dan respectievelijk 133300 : 25 = 5332 en 135300 : 25 = 5412 en dat zijn weer 80 kanalen die 25 kHz uit elkaar liggen en die op de oscillator-frequentie voor ontvangst liggen. We hebben dus een instelbare deter nodig die kan delen door minimaal 5332 en maximaal door 5840.
Hoe die instelbare deter wordt uitgevoerd en hoe die moet worden ingesteld op het juiste deeltal voor zenden en ontvangen is een kwestie van digitate technieken en inzicht van de ontwerper.
Het ontwerpen van de deter voor de referentie-frequentie is eenvoudiger, we moeten op een vaste frequentie van 25 kHz uitkomen en de frequenties die digitaal gedeeld moeten worden zijn veel lager dan die van de VCO. In de praktijk zult u zien dat de VCO-frequentie eerst nog door een snelle deler wordt gedeeld (pre-scaler), en dus uiteraard ook de referentiefrequentie, maar dat verandert in wezen niets aan het principe; dat is een kwestie van de snelheid van de TTL- of Cmos-logica.
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.