Variable Frequency Oscillator

Variable Frequency Oscillator (VFO; ang. variable frequency oscillator) – generator o regulowanej częstotliwości w określonym zakresie, stosowany jako źródło sygnału w układach radiowych i pomiarowych^[1][2]. W odróżnieniu od generatorów o częstotliwości stałej, takich jak generatory kwarcowe, VFO umożliwia płynne przestrajanie sygnału i dzięki temu pozwala na wybór kanału pracy odbiornika lub nadajnika w szerszym paśmie częstotliwości^[1]. Pojęcie to jest powszechnie używane w radiokomunikacji amatorskiej i profesjonalnej, zwłaszcza w odniesieniu do obwodów lokalnych generatorów heterodynowych w odbiornikach i nadajnikach superheterodynowych^[3].

Generator ten można zrealizować zarówno w technice analogowej, jak i cyfrowej. Analogowy VFO wykorzystuje zwykle obwód rezonansowy LC o regulowanej pojemności lub indukcyjności, natomiast VFO cyfrowy bazuje na technikach syntezy częstotliwości, takich jak pętla synchronizacji fazy (PLL) czy bezpośrednia synteza cyfrowa (DDS)^[1][3].

W klasycznym odbiorniku superheterodynowym sygnał z anteny jest mieszany z sygnałem VFO w mieszaczu, co prowadzi do powstania częstotliwości pośredniej (IF) o stałej wartości, dalej wzmacnianej i filtrowanej niezależnie od częstotliwości odbieranego sygnału^[4]. Zmiana częstotliwości VFO powoduje zmianę częstotliwości, na którą przestrajany jest odbiornik.

W nadajnikach radiowych VFO może bezpośrednio generować częstotliwość nośną lub sterować dalszymi stopniami syntezy częstotliwości, które wytwarzają sygnał w paśmie roboczym nadajnika^[5]. W konstrukcjach amatorskich stosuje się zarówno rozwiązania, w których VFO pracuje w paśmie docelowym, jak i układy, w których VFO generuje niższą częstotliwość, a sygnał jest następnie przekształcany do częstotliwości nadawczej w dodatkowych stopniach mieszających^[3].

VFO wykorzystywane są również w generatorach funkcyjnych, analizatorach widma, mostkach pomiarowych oraz innej aparaturze pomiarowej, w której wymagana jest możliwość płynnego przestrajania częstotliwości w zadanym zakresie^[1].

Klasyczny analogowy VFO jest generatorem LC, w którym częstotliwość drgań wyznacza cewka i kondensator tworzące obwód rezonansowy. Przestrajanie odbywa się najczęściej przez zmianę pojemności kondensatora zmiennego lub kondensatora pojemnościowego w postaci diody pojemnościowej (waraktora), rzadziej przez regulację indukcyjności cewki^[1]. Obwód rezonansowy jest częścią jednego z klasycznych typów generatorów (np. Colpittsa, Hartleya, Clappa), zbudowanych na tranzystorach polowych lub bipolarnych^[3].

W praktyce amatorskiej stosuje się najczęściej VFO pracujące w zakresie kilku megaherców (np. 1,75–9 MHz), o zakresie przestrajania rzędu 0,5–1 MHz, które następnie są wykorzystywane bezpośrednio lub po dodatkowej przemianie częstotliwości do pracy na pasmach KF^[3]. Wysoka jakość takiego generatora wymaga m.in. zastosowania elementów o małym współczynniku temperaturowym, stabilizowanego zasilania, ekranowania oraz buforowania wyjścia za pomocą jednego lub kilku stopni separujących, aby obciążenie nie wpływało na częstotliwość pracy^[3].

Cyfrowe VFO wykorzystują techniki syntezy częstotliwości oparte na jednym lub kilku precyzyjnych generatorach kwarcowych. W syntezie z pętlą PLL sygnał z generatora sterowanego napięciem (VCO) jest porównywany fazowo z sygnałem odniesienia, a układ regulacji utrzymuje ścisłą zależność częstotliwości VFO od częstotliwości wzorcowej, przy jednoczesnej możliwości zmiany częstotliwości wyjściowej poprzez dobór dzielników częstotliwości w pętli^[1].

W syntezie DDS częstotliwość jest generowana poprzez cyfrowe odtwarzanie kształtu przebiegu (zwykle sinusoidalnego) z tablicy próbek i konwersję cyfrowo–analogową. Zmiana częstotliwości polega na zmianie przyrostu fazy w numerycznym oscylatorze, co umożliwia bardzo drobny krok przestrajania (nawet rzędu pojedynczych herców) w szerokim paśmie częstotliwości^[6]. Układy tego typu są powszechnie stosowane w nowoczesnych transceiverach amatorskich oraz w samodzielnych modułach VFO DDS opartych na układach scalonych z rodziny AD9850 i podobnych^[7].

Zastosowanie syntezeryzowanych VFO pozwala uzyskać wysoką stabilność długoterminową, łatwe odtwarzanie uprzednio wybranych częstotliwości, możliwość realizacji skokowej siatki częstotliwości (kanałów) oraz dodatkowych funkcji, takich jak przesunięcia częstotliwości dla różnych trybów pracy (LSB, USB, CW) czy automatyczne sterowanie wieloma oscylatorami w ramach jednego systemu^[1].

Do podstawowych parametrów użytkowych VFO należą:

• stabilność częstotliwości – określająca zmiany częstotliwości w funkcji czasu, temperatury i zmian napięcia zasilania; w nowoczesnych konstrukcjach, dzięki stosowaniu stabilnego wzorca kwarcowego oraz układów PLL, dąży się do minimalizacji dryftu częstotliwości^[3];
• czystość widmowa – poziom składowych harmonicznych i produktów mieszania względem sygnału podstawowego; niepożądane składowe mogą prowadzić do zakłóceń w innych pasmach częstotliwości^[8];
• szum fazowy – rozmycie widmowe sygnału w pobliżu częstotliwości nośnej, wpływające na zdolność odbiornika do pracy w obecności silnych sygnałów sąsiednich oraz na szerokość widma nadajnika^[8];
• zakres i sposób przestrajania – zakres częstotliwości pokrywany przez VFO oraz charakterystyka przestrajania (liniowa, logarytmiczna, skokowa), istotne z punktu widzenia ergonomii obsługi i możliwości zastosowania^[3].

• VCO
• DCO
• VXO
• BFO