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

Основные звенья. Рассмотрим основные звенья, входящие в устройства АПЧ. В качестве эталонного генератора в ней обычно используется высокостабильный кварцевый автогенератор или  принимаемый радиосигнал, а в  качестве стабилизируемого генератора - автогенератор с параметрической  стабилизацией частоты. В качестве звена фильтрации применяется фильтр нижних частот 1, 2-го или более высокого порядка. Преобразователи частоты, включаемые после автогенераторов, могут выполнять такие функции, как умножение, деление или смещение частоты сигнала. Звеном сравнения в ЧАП является частотный дискриминатор, напряжение на выходе которого Uд зависит от разности частот входных сигналов - стабилизируемого (fст) и эталонного (fэт):

 (4.1)  

Пример такой характеристики, начальный участок которой является линейным с крутизной Sд, приведен на рисунке 4.1, а.

 

 

 

Рисунок 4.1 - Характеристики частотного дискриминатора.

 

Звеном сравнения в  ФАП является фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого Ucp зависит  от разности фаз сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов: Ucp=y(jст–jэт). Ниже звенья сравнения - дискриминаторы - будут рассмотрены более подробно. Звеном управления обычно является управляющий  элемент с варикапом или ферритом, устройство которых рассматривается  ниже. Назначение данного элемента состоит в управлении частотой стабилизируемого автогенератора в зависимости от величины напряжения на его входе. Поэтому  данное звено определяется зависимостью Df=y(Uу), пример которой приведен на рис. 4.1, б. Начальный участок данной характеристики обычно является линейным с крутизной Sy. Системы АПЧ являются нелинейными  устройствами, поскольку в них  одно или несколько звеньев являются нелинейными. При линеаризации таких  звеньев исследование АПЧ проводится в рамках линейной модели, что позволяет получить некоторые важные результаты. Параметры устройства АПЧ. Следующие параметры, которые называются показателями качества процесса регулирования, характеризуют работу устройств АПЧ. Точность определяется отклонением частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме. При действии на устройство помимо полезного сигнала и помехи точность определяется средней и среднеквадратической шибкой. Коэффициент авторегулирования Крег - отношение первоначальной ошибки по частоте автогенератора в момент его включения к ошибке в установившемся режиме работы. Пусть ошибка частоты автогенератора (ее отклонение от номинального значения) равна 1 МГц, а после окончания процесса регулирования она снижается до 100 Гц. Для коэффициента регулирования получим: Крег=106/100=104.

Полоса схватывания - максимально  допустимая величина первоначальной ошибки по частоте автогенератора, при которой  устройство нормально функционирует  после его включения.

Полоса удержания - максимально  допустимая величина собственной ошибки по частоте автогенератора в установившемся Режиме работы. Как правило, полоса удержания больше полосы схватывания.

Переходный процесс установления частоты стабилизируемого автогенератора после включения устройства АПЧ  или изменения частоты эталонного генератора. Обычно этот процесс носит  апериодический или затухающий колебательный  характер. Время установления частоты  стабилизируемого автогенератора - время  переходного процесса, за которое  частота входит в определенную зону.

Устойчивость работы устройства АПЧ определяется несколькими параметрами. Поскольку устройство АПЧ является схемой с обратной связью, то в ней  подобно автогенератору могут возникнуть собственные автоколебания, если будут  выполнены условия баланса амплитуд и фаз. Такой режим работы является недопустимым в устройстве АПЧ, которое  должно отслеживать изменения частоты входных сигналов, а не создавать собственные автоколебания. Более того, следует иметь определенный запас по устойчивости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  5. Частотная автоподстройка частоты

 

Звенья устройства. Структурная  схема устройства ЧАП непрерывного типа соответствует схеме АПЧ (рис. 4).

В ней под звеном сравнения  следует понимать частотный дискриминатор, напряжение на выходе которого зависит от частоты на его входе. Известно несколько схем частотных дискриминаторов, наиболее распространенными из которых являются схемы балансного типа (рис. 5) и на расстроенных контурах.

 

 

Рисунок 5 - Частотный  дискриминатор балансного типа

 

В качестве частотного дискриминатора может использоваться и микросхема, имеющая два входа (рис. 5.1, а). На 1-й  вход подается сигнал частоты f0, определяющий среднюю частоту дискриминатора, а на 2-й - сигнал разностной частоты fр=fст–fэт. При fp>f0 напряжение на выходе дискриминатора ид=Uд, а при fp<f0 напряжение ид=–Uд. В результате характеристика дискриминатора имеет вид, приведенный  на рис. 5.1, б.

 

 

Рисунок 5.1 - Характеристика дискриминатора

 

Из схем управления частотой автогенератора выделим две: с варикапом  и ферритом. Варикапом называется полупроводниковый диод, емкость  закрытого р-n-перехода которого существенно  зависит от значения обратного напряжения Uобр. Данная зависимость определяется следующим примерным соотношением:  . (5.1)

Схема управляющего элемента с варикапом приведена на рис. 5.2.

 

Рисунок 5.2 - Схема управляющего элемента с варикапом

 

Схема управляющего элемента с ферритом показана на рис. 5.3. Катушка  индуктивности с ВЧ ферритом располагается  в зазоре электромагнита. При изменении  тока подмагничивания меняется дифференциальная магнитная проницаемость феррита, что приводит к измерению индуктивности  контура и частоты автоколебаний.

 

 

Рисунок 5.3 - Схема управляющего элемента с ферритом

 

В обеих схемах характеристика управляющего элемента Dfy=y(Uy) подобна  характеристике, приведенной на рис. 4.1,б. В качестве ФНЧ может использоваться однозвенный RC-фильтр (рис. 5.4).

 

 

Рисунок 5.4 - Однозвенный RC-фильтр.

 

Определим точность ЧАП в  установившемся режиме работы, в котором  линейная модель устройства описывается  системой из трех уравнений:   (5.2)

где Dfст - отклонение частоты  стабилизируемого автогенератора от номинального значения; Dfн - начальная расстройка того же автогенератора; Dfy - изменение  частоты автогенератора под действием  управляющего элемента в замкнутой  системе. (Остальные параметры определены выше на рис. 4.1.). Решив совместно уравнения (5.2), получим уравнение для отклонения частоты стабилизируемого автогенератора в установившемся режиме работы:  , (5.3)

где Dfо. р. - остаточная расстройка.

Из (5.3) следует, что благодаря действию устройства ЧАП первоначальное отклонение частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения Dfн уменьшается в Крег=(1+SуSд) раз. Поскольку коэффициент авторегулирования Крег>>1, то это уменьшение может быть весьма существенным - в 1000 и более раз. Графическое решение уравнений (5.2) представлено на рис. 5.5. Из него также следует, что решением уравнений (5.2) является величина Dfст=Dfо. р.. Именно на эту величину, которая определяет точность ЧАП, отличается частота стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме.

 

Рис. 5.5. Графическое решение уравнений (5.2)

 

Пример. Начальная расстройка Dfн=000 кГц. Крутизна Sy=400 кГц/В, крутизна Sд=5 В/кГц. Коэффициент регулирования  Крег=1+SуSд=2001. Остаточная расстройка Dfо. р.=Dfн/Крег=0,5 кГц. Таким образом, нестабильность частоты стабилизируемого автогенератора с 1000 кГц уменьшается до 500 Гц.

 

 

 

5.1 Фазовая автоподстройка частоты

Звенья устройства. Структурная  схема устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАП) непрерывного типа соответствует  обобщенной схеме АПЧ (рис. 4). В ней  под звеном сравнения следует  понимать фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого зависит от мгновенной разности фаз входных сигналов. Таким  образом, единственное отличие ФАП  от ЧАП состоит в замене сравнивающего  элемента - частотного дискриминатора на фазовый, что, однако, приводит к  важным изменениям в работе устройств. Известны несколько схем фазовых  дискриминаторов, одна из которых - кольцевого типа - изображена на рис. 5.1.1. Все остальные звенья схемы ФАП идентичны рассмотренным выше звеньям ЧАП.

 

 

Рисунок 5.1.1 - Схема фазового дискриминатора кольцевого типа

 

Фазовый дискриминатор, вырабатывающий напряжение, зависящее от разности мгновенных фаз входных колебаний, можно рассматривать как перемножитель  этих колебаний. Докажем данное положение.

Перемножим два колебания:

 (5.4)

После фильтрации колебания  с суммарной частотой получим  выходной сигнал, зависящий от разности фаз входных сигналов:

 (5.5)

Рассмотрим установившийся режим работы ФАП, приняв во внимание два обстоятельства. Во-первых, поскольку  в этом режиме напряжение на выходе фильтра нижних частот равно входному напряжению, то справедливо следующее  равенство: uф. д.=uу, где uф. д. - напряжение на выходе фазового дискриминатора, uу - напряжение на входе управляющего элемента (рис. 5.1.2). Во-вторых, в нормально  функционирующей ФАП должна устанавливаться  постоянная разность фаз сигналов стабилизируемого и эталонного АГ: 

что означает равенство частот этих колебаний: fст(t)=fэт(t), или выполнение равенства: Dfст=Dfн–Dfу=0, т. е. Dfу=Dfн.

 

 

Рисунок 5.1.2 - Установившийся режим работы ФАП

 

С учетом последних соотношений  для ФАП в установившемся режиме справедлива следующая система  из двух уравнений:

 (5.6)

Решим уравнения (5.6) графическим путем (рис. 5.1.3). Здесь возможны три случая:

1) графики функций пересекаются  во множестве точек;

2) график второй функции  (15.6) является касательной по отношению  к первой;

3) графики не имеют ни  одной точки пересечения.

 

 

Рисунок 5.1.3 - Графическое решение уравнения (5.6)

 

Очевидно, в 3-м случае, при  котором нет точек пересечения  графиков, система уравнений (15.6) не имеет решения, что означает неработоспособность  ФАП. В 1-м случае есть множество точек  пересечения графиков - по две на каждый период, - и, следовательно, ФАП  должна нормально функционировать. Следует рассматривать 2-й случай как крайний случай 1-го, при котором  начальная расстройка Dfн стабилизируемого АГ может быть максимальна. Такое  максимальное значение Dfн, в установившемся режиме называется полосой удержания (см. разд. 5.2), для которой согласно (5.6) получим:  . (5.7)

Из проведенного анализа  следует, что преимущество ФАП перед  ЧАП состоит в ее более высокой  точности: в ФАП частоты стабилизируемого и эталонного автогенераторов равны, в ЧАП они отличаются на величину остаточной расстройки Dfо. р. Для обеспечения  большой полосы схватывания и  высокой точности применяют комбинированные  схемы ЧАП - ФАП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты

 

Обычным системам АПЧ свойственно противоречие между  расширением полосы захвата и  повышением их фильтрующей способности. Действительно, сужая полосу пропускания  фильтра в цепи управления и уменьшая полосу удержания, можно значительно  увеличить фильтрующую способность  системы. Однако при этом, как было ранее показано, неизбежно снижается  полоса захвата.

Это противоречие можно отчасти устранить правильным выбором типа и параметров фильтра  и самой системы ФАПЧ в целом. Полностью его устранить невозможно как в силу ограниченности максимальной вносимой управляющим элементом  расстройки, так и в силу существования  зависимости между амплитудной  и фазовой характеристиками фильтров минимально-фазового типа, которые  следует применять в цепи управления системы.

Кроме астатической и поисковой систем, позволяющих  смягчить указанное противоречие, получили распространение системы АПЧ  с различными дополнительными элементами и устройствами, которые дают возможность  также решать ряд разнообразных  практических задач. К  таким системам  относятся комбинированные частотно- фазовые системы, системы с нелинейными  цепями управления, системы с комбинированным  управлением, системы с инерционно- нелинейными и переменными параметрами  и т. п.

Рассмотренные в предыдущих разделах способы улучшения  динамических свойств системы и  повышения ее помехоустойчивости не являются единственными. Иное направление  их улучшения связано с введением  в систему регулирования сигнала, пропорционального производной  ошибки. Применительно к системам ЧФАПЧ это означает введение воздействия  от дополнительного частотного детектора  на подстраиваемый генератор. Сущность этого метода состоит в том, что частотный детектор измеряет мгновенную частотную ошибку и вводит такое воздействие на частоту подстраиваемого генератора, которое при правильном конструировании уменьшает эту ошибку. Очевидно, это облегчает условия работы кольца ФАПЧ.

Рисунок 6 –  Структурная схема ЧФАПЧ

 

Структурная схема одной из разновидностей системы  ЧФАПЧ показана на рисунке 6. Частотный  детектор в этой схеме может быть либо обычным, либо нулевых биений. В первом случае через сумматор С  и фильтр ФНЧ₂ вводится воздействие, пропорциональное производной фазы (частоте) подстраиваемого генератора. Во втором случае на частотный детектор, кроме сигнала подстраиваемого генератора, поступает эталонный сигнал (показано пунктиром), поэтому выходной сигнал частотного детектора пропорционален производной разности фаз эталонного и подстраиваемого генераторов. (При использовании обычного частотного детектора устраняется возможность проникновения через него помех со входа системы, но зато сам детектор вносит некоторую начальную расстройку вследствие нестабильности собственной частоты подстраиваемого генератора. Детектор нулевых биений вносит значительно меньшую нестабильность, но пропускает указанные помехи. При немодулированном эталонном сигнале и отсутствии помех обе схемы эквивалентны с точки зрения их анализа.