Для обеспечения многих видов измерений в науке и технике, в частности в области магистральной связи с эффективным уплотнением каналов, необходимы источники измерительных сигналов в диапазоне от инфранизких частот до СВЧ с очень малой погрешностью установки частоты (0,1... 0,001 Гц) и очень малой кратковременной и долговременной нестабильностью (от 107 за 15 мин до 1010 за сутки). Соответствующие приборы получили название измерительных генераторов с диапазонно-кварцевой стабилизацией или синтезаторов частоты. Эти термины являются синонимами, однако последний из них в современной литературе используется чаще.
Необходимо отметить, что такие приборы выпускаются в соответствии с ГОСТ как в рамках подгруппы Г (Генераторы измерительные), так и в рамках подгруппы Ч (Синтезаторы частот).
Укрупненная схема измерительного генератора синтезаторного типа представлена на рисунке ниже. Источником сигнала опорной частоты является блок кварцевого генератора, важным элементом которого является система термостатирования, поддерживающая неизменной необходимую температуру кварцевого резонатора с погрешностью порядка 0,1°. Термостатирование является непрерывным условием достижения высокой стабильности кварцевого генератора. Можно подключать и внешний сигнал опорной частоты (например, от квантово-механического стандарта частоты). Блок опорных частот формирует несколько сигналов опорных частот, которые одновременно поступают на блок синтеза частот. Блок синтеза вырабатывает набор частот генераторов с заданной дискретностью в заданном диапазоне.
Интерполяционный генератор позволяет плавно перестраивать частоту выходного сигнала в пределах шага дискретности. Блок управления переключением частот позволяет выполнить как ручное, так и дистанционное (с помощью аналоговых и цифровых сигналов) управление частотой, в том числе частотную модуляцию несущей. В выходном устройстве осуществляются необходимое усиление сигнала по мощности, стабилизация опорного выходного уровня, регулируемое ослабление с помощью аттенюатора, а также амплитудная модуляция сигнала.
Возможность управления переключением частот цифровыми сигналами и реализации сложных видов модуляции несущей частоты является большим достоинством синтезаторов. Поэтому они необходимы для автоматизации измерения, автоматической регистрации характеристик каналов связи в процессе работы, при создании адаптивных (самонастраивающихся) каналов связи и т.п.
Кроме характеристик, общих для всех измерительных генераторов (диапазон, стабильность и т. п.), синтезаторы характеризуются дискретностью установки частоты, ослаблением уровня побочных составляющих и шумов в выходном сигнале относительно уровня выходного напряжения (в децибелах), временем установления сигналов при переключении частоты. Конкретные количественные требования к этим характеристикам, а также стоимость, масса, габаритные размеры и потребляемая мощность определяют выбор того или иного метода синтеза частот.
Как видно из рисунка, синтезатор включает в свой состав блок опорных частот и блок синтеза частот. Блок опорных частот формирует из сигнала опорного генератора ряд сигналов с фиксированными частотами за счет применения делителей и умножителей частоты. Система синтеза частот создает на выходе сигнал с программируемым значением частоты. Основным элементом системы синтеза частот является частотная декада, состоящая из узлов, выполняющих соответствующие арифметические действия над частотами блока опорных частот и фильтров с фиксированной или переменной частотой настройки.
Существуют два метода построения счетных декад. При методе прямого синтеза частот выходные сигналы формируются в результате непосредственного преобразования опорных частот с помощью смесителей, умножителей и делителей. Частотные декады делят частоту в 10 раз и включаются последовательно. Число декад определяет дискретность установки частоты. Действительно, поскольку одна декада делит частоту в 10 раз, то N последовательно включенных декад делят в k=10N раз.
Допустим, что имеются две исходные частоты f1 = 1 МГц и f2 = 2 МГц, отличающиеся друг от друга на 1 МГц. При пяти последовательно включенных декадах имеем коэффициент деления k=105 раз, и исходные частоты на выходе будут иметь значения 10 и 20 Гц, отличающиеся друг от друга на 10 Гц. При шести последовательно включенных декадах частоты будут отличаться на 1 Гц, при семи на 0,1 Гц и т. д. Ясно, что с увеличением числа декад разность между частотами сигналов можно сделать сколь угодно малой. Для расширения частотного диапазона в синтезаторах применяются также умножители частоты. При построении синтезаторов частот методом косвенного синтеза умножение и деление частоты исходных сигналов осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Применение ФАПЧ позволяет получить высокую кратность умножения и деления (100... 120) при переменном коэффициенте умножения (деления). По принципу работы синтезаторов частот строят прецизионные генераторы широкого применения.