วงจรสังเคราะห์ความถี่เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างช่วงความถี่ ต่างๆ จากความถี่อ้างอิงเดียว วงจรสังเคราะห์ความถี่ถูกใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่นเครื่องรับวิทยุโทรทัศน์โทรศัพท์มือถือวิทยุสื่อสารวิทยุCB กล่องแปลงสัญญาณเคเบิลทีวีเครื่องรับสัญญาณดาวเทียม และระบบ GPS วงจรสังเคราะห์ความถี่อาจใช้เทคนิคการคูณความถี่ การหารความถี่การสังเคราะห์ดิจิทัลโดยตรงการผสมความถี่และวงจรล็อกเฟส เพื่อสร้างความถี่ ความเสถียร และความแม่นยำของเอาต์พุตของวงจรสังเคราะห์ความถี่นั้นเกี่ยวข้องกับความเสถียรและความแม่นยำของความถี่อ้างอิงที่ป้อนเข้าไป ดังนั้น วงจรสังเคราะห์ความถี่จึงใช้ความถี่อ้างอิงที่เสถียรและแม่นยำ เช่น ความถี่ที่ได้จากออส ซิลเล เตอร์คริสตัล

สามารถจำแนกซินเธไซเซอร์ได้ 3 ประเภท ประเภทแรกและประเภทที่สองมักพบในรูปแบบสถาปัตยกรรมแบบสแตนด์อะโลน ได้แก่ การสังเคราะห์แบบอนาล็อกโดยตรง (เรียกอีกอย่างว่าสถาปัตยกรรมแบบผสม-กรอง-แบ่ง^{[ 1 ])}เช่นที่พบในทศวรรษ 1960 เช่น HP 5100A ^{[ 2 ]}และซินเธไซเซอร์ดิจิทัลโดยตรง (DDS) ที่ทันสมัยกว่า ( ดูตาราง ) ประเภทที่สามมักใช้เป็น ส่วนประกอบพื้นฐานของวงจร IC ในระบบสื่อสาร ได้แก่ ซินเธไซเซอร์ ดิจิทัลทางอ้อม ( PLL ) รวมถึงแบบจำนวนเต็ม-N และแบบเศษส่วน-N ^{[ 3 ]} TAF-DPS ที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ก็เป็นวิธีการโดยตรงเช่นกัน โดยจะสร้างรูปคลื่นของแต่ละพัลส์ในชุดพัลส์นาฬิกาโดยตรง

ก่อนที่จะมีการใช้เครื่องสังเคราะห์ความถี่อย่างแพร่หลาย เพื่อรับสัญญาณสถานีวิทยุและโทรทัศน์ที่มีความถี่ต่างกันเครื่องรับแบบซูเปอร์เฮเทอโรไดน์ต้องอาศัยการปรับจูนด้วยตนเองของออสซิลเลเตอร์ภายในซึ่งใช้วงจรเรโซแนนซ์ในการสร้างความถี่ เครื่องรับจะถูกปรับไปยังความถี่ต่างๆ โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้หรือสวิตช์ที่เลือกวงจรปรับจูนที่เหมาะสมสำหรับช่องสัญญาณที่ต้องการ เช่นเดียวกับจูนเนอร์แบบหมุนที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องรับโทรทัศน์ก่อนปี 1980 อย่างไรก็ตาม ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจรปรับจูนนั้นไม่เสถียรมากนัก การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนทำให้ความถี่เบี่ยงเบนและเครื่องรับก็จะเบี่ยงเบนจากความถี่ของสถานีการควบคุมความถี่อัตโนมัติ (AFC) ช่วยแก้ปัญหาการเบี่ยงเบนได้บ้าง แต่การปรับจูนด้วยตนเองมักยังคงจำเป็น เนื่องจากความถี่ของเครื่องส่งสัญญาณมีความเสถียร แหล่งความถี่คงที่ที่แม่นยำในเครื่องรับจึงเป็นสิ่งจำเป็น

ตัวเรโซเนเตอร์ คริสตัลควอตซ์มีความเสถียรมากกว่าวงจร LC หลายเท่า และเมื่อใช้ควบคุมความถี่ของออสซิลเลเตอร์ภายในจะให้ความเสถียรเพียงพอที่จะรักษาการจูนของเครื่องรับ อย่างไรก็ตามความถี่เรโซแนนซ์ของคริสตัลถูกกำหนดโดยขนาดของมันและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงเพื่อจูนเครื่องรับไปยังความถี่ต่างๆ ได้ วิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งคือการใช้คริสตัลหลายตัว ตัวละหนึ่งความถี่ที่ต้องการ และสลับคริสตัลที่ถูกต้องเข้าไปในวงจร เทคนิคนี้ใช้ได้ผลเมื่อต้องการเพียงไม่กี่ความถี่ แต่จะกลายเป็นเรื่องสิ้นเปลืองและไม่เหมาะสมในหลายๆ การใช้งาน ตัวอย่างเช่น แถบความถี่วิทยุ FMในหลายประเทศรองรับความถี่ช่องสัญญาณ 100 ช่อง ตั้งแต่ประมาณ 88 ถึง 108 MHzความสามารถในการจูนในแต่ละช่องสัญญาณจะต้องใช้คริสตัล 100 ตัว โทรทัศน์เคเบิลสามารถรองรับช่องสัญญาณได้มากกว่านั้นในแถบความถี่ที่กว้างกว่ามาก จำนวนคริสตัลที่มากขึ้นจะเพิ่มต้นทุนและต้องการพื้นที่เพิ่มเติม 

วิธีแก้ปัญหานี้คือการพัฒนาวงจรที่สามารถสร้างความถี่ได้หลายความถี่จากความถี่อ้างอิงที่สร้างขึ้นโดยออสซิเลเตอร์คริสตัล ซึ่งเรียกว่าเครื่องสังเคราะห์ความถี่ ความถี่ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จะมีเสถียรภาพของความถี่เช่นเดียวกับออสซิเลเตอร์คริสตัลหลัก เนื่องจากได้มาจากออสซิเลเตอร์นั้นเอง

เทคนิคแบบโคเฮเรนต์สร้างความถี่ที่ได้มาจากออสซิลเลเตอร์หลักที่เสถียรเพียงตัวเดียว ในการใช้งานส่วนใหญ่ออสซิลเลเตอร์คริสตัลเป็นที่นิยม แต่สามารถใช้เรโซเนเตอร์และแหล่งกำเนิดความถี่อื่นๆ ได้ เทคนิคแบบอินโคเฮเรนต์สร้างความถี่จากชุดของออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรหลายตัว^{[ 9 ]}เครื่องสังเคราะห์เสียงส่วนใหญ่ในการใช้งานเชิงพาณิชย์ใช้เทคนิคแบบโคเฮเรนต์เนื่องจากความเรียบง่ายและต้นทุนต่ำ

มีเทคนิคหลายอย่างที่ใช้ในการสังเคราะห์ความถี่อย่างสอดคล้องกัน ได้แก่ตัวแบ่งความถี่ วงจรล็อกเฟส (PLL) และการสังเคราะห์ดิจิทัลโดยตรง (DDS) การเลือกวิธีการขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ต้นทุน ความซับซ้อน ขนาดขั้นตอนความถี่ อัตราการสลับ สัญญาณรบกวนเฟสและเอาต์พุตที่ไม่พึงประสงค์ วงจรสังเคราะห์ความถี่หลายประเภทมีให้เลือกใช้ในรูปแบบวงจรรวมซึ่งช่วยลดต้นทุนและขนาดลง

หนังสือยุคแรกๆ ที่มีอิทธิพลต่อเทคนิคการสังเคราะห์ความถี่ ได้แก่ หนังสือของFloyd M. Gardner ( หนังสือ Phaselock Techniques ปี 1966 ของเขา ) ^{[ 10 ]}และหนังสือของVenceslav F. Kroupa ( หนังสือ Frequency Synthesis ปี 1973 ของเขา ) ^{[ 11 ]}

ขั้นตอนการออกแบบที่คิดมาอย่างรอบคอบถือเป็นขั้นตอนสำคัญแรกสู่ความสำเร็จของโครงการเครื่องสังเคราะห์ ความถี่ ^{[ 12 ]}ในการออกแบบระบบเครื่องสังเคราะห์ความถี่ Manassewitsch กล่าวว่า มี ขั้นตอนการออกแบบ ที่ดีที่สุด มากมาย เท่ากับจำนวนนักออกแบบเครื่องสังเคราะห์ความถี่ที่มีประสบการณ์^{[ 12 ]}การวิเคราะห์ระบบเครื่องสังเคราะห์ความถี่เกี่ยวข้องกับช่วงความถี่เอาต์พุต การเพิ่มความถี่ ความเสถียรของความถี่ ประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนเฟสเวลาการสลับขนาด การใช้พลังงาน และต้นทุน^{[ 13 ]} Crawford กล่าวว่าสิ่งเหล่านี้เป็นข้อกำหนดที่ขัดแย้งกัน^{[ 14 ]}

เทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่คล้ายคลึงกับความสัมพันธ์ อัตราส่วนเกียร์เชิงกลสามารถนำมาใช้ในการสังเคราะห์ความถี่ได้เมื่อปัจจัยการสังเคราะห์ความถี่เป็นอัตราส่วนของจำนวนเต็ม^{[ 11 ]}วิธีนี้ช่วยให้สามารถวางแผนการกระจายและการระงับสัญญาณรบกวนสเปกตรัมได้อย่างมีประสิทธิภาพเครื่องสังเคราะห์ความถี่แปรผัน รวมถึง DDS ได้รับการออกแบบโดยใช้ เลขคณิต แบบโมดูลาร์เพื่อแสดงเฟส เป็นประจำ

วงจรล็อกเฟส (Phase-Locked Loop หรือ PLO) เป็นระบบควบคุมแบบป้อนกลับ โดยจะเปรียบเทียบเฟสของสัญญาณอินพุตสองสัญญาณและสร้างสัญญาณความคลาดเคลื่อนที่แปรผันตามความแตกต่างระหว่างเฟสของสัญญาณทั้งสอง^{[ a ]}จากนั้นสัญญาณความคลาดเคลื่อนจะถูกกรองด้วยตัวกรองความถี่ต่ำ (low-pass filter) และใช้ขับออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (Voltage-Controlled Oscillator หรือ VCO) ซึ่งจะสร้างความถี่เอาต์พุต ความถี่เอาต์พุตจะถูกส่งผ่านตัวแบ่งความถี่กลับไปยังอินพุตของระบบ ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับเชิงลบหากความถี่เอาต์พุตเปลี่ยนแปลง สัญญาณความคลาดเคลื่อนของเฟสจะเพิ่มขึ้น ทำให้ความถี่เปลี่ยนแปลงไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อลดความคลาดเคลื่อน ดังนั้นเอาต์พุตจึงถูกล็อกไว้ที่ความถี่ของอินพุตอีกตัวหนึ่ง อินพุตอีกตัวนี้เรียกว่าสัญญาณอ้างอิงและโดยปกติจะมาจากออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่มีเสถียรภาพ

หัวใจสำคัญที่ทำให้เครื่องสังเคราะห์ความถี่สามารถสร้างความถี่ได้หลายความถี่คือตัวแบ่งความถี่ที่อยู่ระหว่างเอาต์พุตและอินพุตป้อนกลับ โดยปกติแล้วตัวแบ่งความถี่นี้จะอยู่ในรูปของตัวนับดิจิทัลโดยใช้สัญญาณเอาต์พุตเป็นสัญญาณนาฬิกาตัวนับจะถูกตั้งค่าไว้ที่ค่าเริ่มต้น และจะนับถอยหลังในแต่ละรอบของสัญญาณนาฬิกา เมื่อถึงศูนย์ เอาต์พุตของตัวนับจะเปลี่ยนสถานะและค่าการนับจะถูกโหลดใหม่ วงจรนี้สร้างได้ง่ายโดยใช้ฟลิปฟลอปและเนื่องจากเป็นแบบดิจิทัล จึงเชื่อมต่อกับส่วนประกอบดิจิทัลอื่นๆ หรือไมโครโปรเซสเซอร์ ได้ง่ายมาก ทำให้สามารถควบคุมและใช้ความถี่ที่สร้างโดยเครื่องสังเคราะห์ความถี่ได้อย่างง่ายดายโดยระบบดิจิทัล

ในทางปฏิบัติ วงจรสังเคราะห์ความถี่แบบ PLL ไม่สามารถทำงานได้ในช่วงความถี่ที่กว้างมากนัก เนื่องจากตัวเปรียบเทียบจะมีแบนด์วิดท์ จำกัด และอาจประสบ ปัญหา การเกิดสัญญาณรบกวน (aliasing ) ซึ่งจะนำไปสู่การล็อกความถี่ที่ผิดพลาดหรืออาจล็อกความถี่ไม่ได้เลย นอกจากนี้ การสร้าง VCO ความถี่สูงที่ทำงานได้ในช่วงความถี่ที่กว้างมากก็เป็นเรื่องยากเช่นกัน

แอปพลิเคชันวิทยุจำนวนมากต้องการความถี่ที่สูงกว่าที่สามารถป้อนเข้าสู่ตัวนับดิจิทัลได้โดยตรง ขั้นตอนการหารเริ่มต้นที่รวดเร็วที่เรียกว่าพรีสเกลเลอร์สามารถใช้เพื่อลดความถี่ให้อยู่ในระดับที่จัดการได้ เนื่องจากพรีสเกลเลอร์เป็นส่วนหนึ่งของอัตราส่วนการหารโดยรวม พรีสเกลเลอร์แบบคงที่อาจทำให้เกิดปัญหาในการออกแบบระบบที่รองรับระยะห่างช่องสัญญาณแคบๆ ที่มักพบในแอปพลิเคชันวิทยุ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้ พรีสเกลเลอร์แบบโมดูลั สคู่^{[ 15 ]}

แง่มุมเชิงปฏิบัติเพิ่มเติม ได้แก่ เวลาที่ใช้ในการสลับระหว่างความถี่ เวลาในการล็อคเมื่อเปิดใช้งานครั้งแรก และระดับเสียงรบกวนในเอาต์พุต ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับตัวกรองลูปของระบบ ซึ่งเป็นตัวกรองความถี่ต่ำที่วางอยู่ระหว่างเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบความถี่และอินพุตของ VCO โดยปกติแล้ว เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบความถี่จะอยู่ในรูปของพัลส์ข้อผิดพลาดสั้นๆ แต่อินพุตของ VCO ต้องเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ราบเรียบและปราศจากเสียงรบกวน การกรองที่มากเกินไปจะทำให้ VCO ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงได้ช้า ทำให้เกิดการเลื่อนและเวลาตอบสนองที่ช้า แต่การกรองที่น้อยเกินไปอาจทำให้เกิดเสียงรบกวนและความไม่เสถียร ดังนั้น การออกแบบตัวกรองจึงมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบและเป็นจุดสนใจหลักในการออกแบบระบบสังเคราะห์เสียง^{[ 15 ]}

เครื่องสังเคราะห์ความถี่ PLL จำนวนมากยังสามารถสร้างการมอดูเลชั่นความถี่ (FM) ได้อีกด้วย สัญญาณมอดูเลชั่นจะถูกเพิ่มเข้าไปในเอาต์พุตของตัวกรองลูป ทำให้ความถี่ของ VCO และเอาต์พุตของเครื่องสังเคราะห์เปลี่ยนแปลงโดยตรง การมอดูเลชั่นจะปรากฏที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบเฟสด้วย โดยลดแอมพลิจูดลงตามการแบ่งความถี่ใดๆ ส่วนประกอบสเปกตรัมใดๆ ในสัญญาณมอดูเลชั่นที่ต่ำเกินกว่าจะถูกบล็อกโดยตัวกรองลูปจะกลับไปยังอินพุตของ VCO ด้วยขั้วตรงข้ามกับสัญญาณมอดูเลชั่น จึงหักล้างกัน (ลูปจะมองเห็นส่วนประกอบเหล่านี้เป็นสัญญาณรบกวนของ VCO ที่ต้องกำจัดออก) ส่วนประกอบการมอดูเลชั่นที่สูงกว่าความถี่ตัดของตัวกรองลูปไม่สามารถกลับไปยังอินพุตของ VCO ได้ ดังนั้นจึงยังคงอยู่ในเอาต์พุตของ VCO ^{[ 16 ]}ดังนั้น แผนการง่ายๆ นี้จึงไม่สามารถจัดการกับสัญญาณมอดูเลชั่นความถี่ต่ำหรือ DC ได้โดยตรง แต่นี่ไม่ใช่ปัญหาในเครื่องส่งสัญญาณ FM วิดีโอและเสียงแบบ AC-coupled จำนวนมากที่ใช้วิธีนี้ เครื่องสังเคราะห์ความถี่ PLL สามารถมอดูเลชั่นที่ความถี่ต่ำและ DC ได้โดยใช้การมอดูเลชั่นแบบสองจุดเพื่อเอาชนะข้อจำกัดข้างต้น^{[ 17 ]}การปรับสัญญาณจะถูกนำไปใช้กับ VCO เหมือนเดิม แต่ตอนนี้ยังถูกนำไปใช้กับซินเธไซเซอร์แบบดิจิทัลด้วย โดยสอดคล้องกับสัญญาณ FM แบบอนาล็อกโดยใช้ ADC เดลต้าซิกมาที่รวดเร็ว

• ออสซิลเลเตอร์ควบคุมด้วยระบบดิจิทัล
• วาดลีย์ลูป

• Ulrich L. Rohde "Digital PLL Frequency Synthesizers – Theory and Design", Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, มกราคม 1983
• Ulrich L. Rohde "Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design", John Wiley & Sons, สิงหาคม 1997, ISBN 0-471-52019-5
• เครื่องสังเคราะห์ความถี่สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,555,446, เบรย์เมอร์, นิวบรันสวิก, (12 มกราคม 1971)
• Oliver, Bernard M. (พฤษภาคม 1964). "การสังเคราะห์ความถี่ดิจิทัล" (PDF) . วารสาร Hewlett-Packard . 15 (9): 1. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2022-12-09 . สืบค้นเมื่อ2017-05-14 .
• Van Duzer, Victor E. (พฤษภาคม 1964). "เครื่องสังเคราะห์ความถี่ 0-50 Mc ที่มีเสถียรภาพยอดเยี่ยม การสลับความถี่ที่รวดเร็ว และความละเอียดสูง" (PDF) . วารสาร Hewlett-Packard . 15 (9): 1– 6. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2022-12-09 . สืบค้นเมื่อ2017-05-14 .เครื่องสังเคราะห์สัญญาณแบบ Direct Synthesizer รุ่น HP 5100A: ตัวสร้างสัญญาณแบบหวี (comb generator); ตัวกรอง, การผสม, การหาร เมื่อกำหนดความถี่ 3.0bcd  MHz ให้ผสมกับ 24  MHz แล้วกรองเพื่อให้ได้ 27.0bcd MHz  ผสมกับ 3.a MHz  แล้ว กรองเพื่อให้ได้ 30.abcd MHz หารด้วย 10 แล้วกรองเพื่อให้ได้ 3.0abcd MHz  ป้อนไปยังขั้นตอนถัดไปเพื่อให้ได้ตัวเลขอีกหลัก หรือผสมไปจนถึง 360.abcd  MHz แล้วเริ่มผสมและกรองด้วยความถี่อื่นๆ ในขั้นตอน 1  MHz (30 – 39  MHz) และ 10  MHz (350 – 390  MHz) สัญญาณรบกวนมีค่า -90  dB (หน้า 2)
• Van Duzer, Victor E. (พฤษภาคม 1964). "บันทึกเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เครื่องสังเคราะห์ความถี่" (PDF) . วารสาร Hewlett-Packard . 15 (9): 7– 8. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2022-12-09 . สืบค้นเมื่อ2017-05-14 .
• Cutler, Leonard S. (ธันวาคม 1963). "การตรวจสอบเส้นสเปกตรัมอะตอมของหลอดลำแสงซีเซียมด้วยเครื่องสังเคราะห์ความถี่ HP" (PDF) . วารสารฮิวเลตต์-แพคการ์ด . 15 (4). เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2022-12-09 . สืบค้นเมื่อ2017-05-17 .
• Shanahan, John. C. (ธันวาคม 1971). "การรวมการสร้างสัญญาณและการสังเคราะห์สัญญาณ: คิดค้นวิธีแก้ปัญหาพร้อมกันสำหรับปัญหาการสร้างสัญญาณและการใช้สัญญาณ ในขณะที่ปรับให้เหมาะสมทั้งสำหรับการใช้งานบนโต๊ะและการใช้งานอัตโนมัติ" (PDF) . Hewlett-Packard Journal . 23 (4): 2– 13. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2022-08-14 . สืบค้นเมื่อ2017-05-14 .HP 8660A/B วงจรสังเคราะห์สัญญาณ PLL แบบมัลติลูป

• ฮิวเลตต์-แพคการ์ด (ธันวาคม 1965). เครื่องสังเคราะห์เสียงรุ่น 5100A (PDF) . คู่มือการใช้งานและการบำรุงรักษา.
• ฮิวเลตต์-แพคการ์ด (สิงหาคม 1965). รุ่น 5110A ไดรเวอร์ซินเธไซเซอร์ (PDF) . คู่มือการใช้งานและการบริการ.
• คำอธิบาย TAF-DPS (สถาปัตยกรรมสังเคราะห์ความถี่แบบ Flying-Adder)