Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства и способы ее реализаци

Фазовый анализ генератора Мейснера

Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих  каскадах (с общим катодом, с общим  эмиттером), так и на неинвертирующих  каскадах (с общей сеткой, с общим  анодом, с общей базой, с общим  коллектором).

Каскад с общим катодом (с  общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при  согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный  петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.

Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью.

 

 

Рисунок 2.3 – генератор с положительной обратной связью

 

 

Рисунок 2.3.1 – Фазовая диаграмма генератора с положительной обратной связью

 

LC-генераторы на каскаде с  общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов  почти всех телевизоров, в гетеродинах  УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую — на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. При оптимально рассчитанном емкостном делителе запас устойчивости по фазе составляет менее 30°.

2.4 Генератор Мейснера на каскаде с общей базой.

 

 

Рисунок 2.4 –  Генератор Мейснера

 

 

Рисунок 2.4.1 – Фазовая диаграмма генератора Мейснера

Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в  цепи положительной обратной связи  вместо CR-цепочки включить трансформатор  со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°. Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура  каскадом и не внести дополнительного  перекоса фазы, нужно применить частичное  включение контура без дополнительного  перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой  генератор излучает одну частоту  и имеет наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Точность формирования  несущей частоты излучения РПдУ  и     способы ее повышения

 

В большинстве  современных радиоустройств, как, например, локационных, связных и т. п., одной  из наиболее важных задач является получение электрических колебаний  определенной частоты. Точность поддержания  заданного номинала характеризует  стабильность рабочей частоты радиоустройства. Под колебаниями рабочей частоты  следует понимать электрические  колебания, соответствующие основному  назначению данного аппарата, например в приемнике - колебания гетеродина, в передатчике - излучаемые колебания. Образование рабочей частоты  можно считать завершенным, если во всех последующих каскадах принципиально  невозможно изменение стабильности.

Применяемые в настоящее время в радиоустройствах схемы образования рабочей частоты  трудно строго разделить на какие-либо группы с четко выраженными характерными особенностями. Однако можно указать  три известных метода стабилизации частоты:

а) параметрический;

б) при помощи электромеханических колебательных систем;

в) с автоматической подстройкой.

Для параметрической  стабилизации

характерным является:

1) использование высококачественных деталей в контурах, задающих частоту;

2) применение методов компенсации, уменьшающих воздействие температуры на параметры контура;

3) выбор схем  автогенераторов, обеспечивающих  наименьшее влияние режима ламп  и последующих каскадов на  генерируемую частоту.

Стабилизация  при помощи электро-механических колебательных  систем основана на применении физических тел, обладающих высокой эталонностью собственной частоты и малым  декрементом затухания. Кроме этих качеств, тела, применяемые для стабилизации, должны обладать свойством преобразования энергии электрических колебаний  в механическую энергию, и наоборот. Указанные качества имеют в первую очередь кристаллы, как, например, кварц, турмалин, обладающие прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом. Как преобразователи  механической энергии в электромагнитную могут также использоваться устройства с камертонами, магнито-стрикционными  стержнями и т. п.

Система автоматической подстройки частоты основана на принципе автоматического регулирования, широко применяющемся в различных областях техники.

Принцип этот состоит в том, что регулируемый параметр сравнивается с эталоном. При отклонении величины параметра  от его номинального значения система  регулирования автоматически уменьшает  это отклонение. В интересующем нас  случае регулируемым параметром является рабочая частота, а эталоном —  частота какого-либо генератора, обладающего  высокой стабильностью. Система  регулирования состоит в этом случае из частотного или фазового детектора и управляющего элемента. Последний, воздействуя на один из параметров контура генератора, изменяет рабочую  частоту, приближая ее к номиналу.

 

 

Рисунок 3 –  Блок-схема интерполяционного возбудителя

 

Перечисленные три метода могут применяться  каждый независимо от другого и совместно  в любой комбинации.

В качестве примера  комбинированного метода стабилизации можно привести интерполяционные схемы  возбудителей. Принцип построения подобных схем, впервые предложенный проф. Зейтленком, легко понять из рассмотрения рисунок 3.1.

Колебания кварцованного  генератора 1, имеющие высокостабильную частоту f, и колебания генератора плавного диапазона 2 или, как его иногда называют, интерполяционного генератора, имеющие частоту F, поступают на смеситель 3, в анодную цепь которого включен перестраивающийся резонансный контур, выделяющий одну из комбинационных частот вида f± F. Изменяя частоту F и настройку контура, можно в заданном диапазоне получить любую рабочую частоту.

Обычно интерполяционный генератор, имеющий параметрическую  стабилизацию, обладает худшей стабильностью  по сравнению с кварцованным генератором. Однако, чем больше частота f по сравнению с частотой F, тем выше результирующая стабильность рабочей частоты f ±F, так как в этом случае отклонение частоты F интерполяционного генератора будет относительно мало сказываться на стабильности рабочей частоты f ±F.

Примем обозначения:

f₀- номинальное значение рабочей частоты;

Δf₀- отклонение рабочей частоты от ее номинального значения;

Δf- отклонение частоты кварцованного генератора от ее номинального значения;

-  относительная нестабильность  рабочей частоты;

- относительная нестабильность  частоты кварцованного генератора;

- относительная нестабильностьчастоты  интерполяционногогенератора;

- интерполяционное число. 

Как известно:

.   (3.1)

Если  и то из (3.1)следует:

.    (3.2)

Из формулы (3.2) следует, что стабильность рабочей  частоты в n раз выше стабильности частоты интерполяционного генератора.

Следует отметить, что широко применяются (особенно в  измерительной аппаратуре) интерполяционные схемы, в которых рабочая частота  образуется в результате смешения колебаний, создаваемых двумя или более  кварцованными генераторами.

Недостатком интерполяционных схем является наличие  на выходе, кроме полезного напряжения рабочей частоты, также вредных  напряжений других комбинационных частот. При использовании таких схем в качестве задающих генераторов  передатчиков эти колебания комбинационных частот излучаются в окружающее пространство. При использовании рассмотренных  схем в качестве гетеродинов приемников колебания комбинационных частот вызывают появление ложных каналов приема. Снижение уровня напряжения вредных  комбинационных частот частично достигается  применением достаточного количества фильтрующих цепей, что, очевидно, усложняет  конструкцию аппаратуры.

От указанного недостатка в значительной степени  свободны схемы, использующие метод  автоподстройки.

В этом случае по одной из указанных выше схем собирается генератор эталонных  частот, но колебания, генерируемые им, используются не для излучения в  окружающее пространство или для  преобразования частоты принимаемого сигнала, а как эталон, по которому автоматически происходит корректировка  частоты стабилизируемого генератора.

Блок-схема  метода стабилизации частоты при  помощи автоматической подстройки изображена на рисунке 3.2. Устройство 2 производит автоматическую регулировку частоты  стабилизируемого генератора 3 по частоте  генератора эталонных частот 1 и  называется системой автоматической подстройки частоты или сокращенно автоподстройки.

В рассматриваемой  схеме для излучения в окружающее пространство или для смешения с  принимаемым сигналом служат колебания  стабилизируемого генератора. Комбинационные частоты', которые могут оказаться  на выходе генератора эталонных частот, не попадают в тракт радиоустройства, вследствие чего на выходе возбудителя  имеется всегда только одна рабочая  частота. Практически вследствие трудно устранимых паразитных связей, а также  по некоторым другим причинам, изложенным в гл. 6, не удается обеспечить полного  подавления напряжений комбинационных частот, однако интенсивность их на выходе возбудителя оказывается  во много раз меньшей, чем на выходе генератора эталонных частот.

Рисунок 3.1 –  Блок-схема автоматической подстройки частоты

 

Автоподстройка  частоты широко применяется также  в так называемых приемниках с  автоматической настройкой. В этом случае эталонной является частота  сигнала принимаемой радиостанции. Частота гетеродина приемника изменяется автоматически таким образом, что разность между частотами сигнала и гетеродина всегда равна номинальному значению промежуточной частоты. Подобное устройство позволяет значительно облегчить настройку приемника на выбранную станцию и обеспечивает устойчивый прием даже при нестабильной частоте передатчика.

Указанные выше достоинства определили широкое  использование метода автоподстройки частоты в современных радиоустройствах.

В тех случаях, когда в качестве эталона применяется  частота модулированных колебаний  или когда колебания стабилизируемого генератора модулируются до сравнения  с эталонной частотой, необходимо при проектировании аппаратуры с  автоподстройкой частоты учитывать  применяемый тип модуляции. При  частотной модуляции стабилизируемых  или эталонных колебаний, когда  происходят полезные изменения их частоты  неправильно выбранная схема  автоподстройки может оказывать  демодулирующее действие. Во избежание  этого явления схема автоподстройки должна реагировать лишь на среднюю  частоту, т. е.  на ту частоту, которую  имеют колебания при отсутствии модулирующего напряжения. Для того чтобы выполнить указанное требование, существуют различные варианты схем, не позволяющие системе автоподстройки реагировать на полезное изменение  частоты, но обеспечивающие корректировку  уходов средней частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  Автоматическая подстройка частоты

 

Назначение. Устройства автоматической подстройки частоты (АПЧ) служат для  стабилизации и управления частотой автогенератора по эталонному сигналу. Разнообразно применение систем АПЧ  в радиоприемных и радиопередающих  устройствах. Назовем несколько  наиболее типичных случаев их использования:

– в синтезаторах частоты, с помощью которых создается  дискретное множество частот при  одном эталонном сигнале;

– для стабилизации частоты  мощных автогенераторов по слабому  сигналу эталонного автогенератора, что позволяет существенно сократить  число ВЧ или СВЧ усилительных каскадов;

– для автоматической подстройки частоты гетеродина радиоприемника по частоте принимаемого сигнала.

Обобщенная структурная  схема устройства АПЧ. Такая схема приведена на рис. 4. В устройстве сравниваются сигналы эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в результате чего вырабатывается сигнал ошибки. После фильтрации этот сигнал управляет стабилизируемым автогенератором, частота которого по установленному алгоритму следит за частотой эталонного автогенератора. В устройство АПЧ входят также преобразователи частоты формируемого сигнала и устройство поиска, осуществляющее ввод всего устройства в режим автоматического регулирования.

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Структурная  схема устройства ЧАП непрерывного типа

 

Классификация. В зависимости  от способа получения сигнала  ошибки различают: устройства частотной  автоподстройки частоты (ЧАП), фазовой  автоподстройки частоты (ФАЛ) и комбинированные (ЧАП - ФАП). В устройствах ЧАП сигнал ошибки вырабатывается путем сравнения  частот сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в устройствах  ФАП - путем сравнения t фаз тех  же сигналов. По виду сигнала в цепи управления устройства АПЧ подразделяют на непрерывные при аналоговом сигнале  и дискретные. Последние, в свою очередь, в зависимости от метода квантования  сигнала подразделяют на релейные (при  квантовании по уровню), импульсные (при квантовании по времени) и  цифровые (при квантовании по уровню и времени).