26.4. Отслеживающая синхронизация (автоподсгройка)

Важнейшей областью применения устройств автоматического регулирования в технике связи является синхронизация генераторов с автоматической подстройкой их частоты. При этом необходимо устанавливать частоту f₂ генератора такой, чтобы она согласовывалась с частотой f₁ опорного генератора с точностью до неизменного фазового сдвига. Структурная схема цепи автоподстройки представлена на рис. 26.20.

Частота отслеживающего генератора управляется с помощью напряжения Uf в соответствии с соотношением

Такие управляемые напряжением генераторы уже были рассмотрены в гл. 18. Для низких частот можно использовать схемы, рассмотренные в разд. 18.3.2, или генераторы функций из разд. 18.4.2. На высоких частотах пригодны мультивибратор с эмиттерной связью, показанный на рис. 18.43, а также LC-генератор, в котором параллельно колебательному контуру включен диод с накоплением. В этом случае линейное уравнение (26.15) справедливо лишь для малых отклонений относительно рабочей частоты fо, так как дифференциальная постоянная регулирования зависит от положения рабочей точки.

Выходное напряжение фазового детектора определяется фазовым сдвигом  между отслеживающим переменным напряжением U₂ и эталонным переменным напряжением U₁:

Отметим следующую особенность поведения регулируемого объекта: если частота f₂ отстает от эталонной частоты f₁, фазовый сдвиг возрастает пропорционально периоду и превышает все ограничения (объект без саморегулирования). При этом даже при ограниченном усилении регулятора рассогласование в замкнутом контуре возрастает до тех пор, пока обе частоты не будут точно согласованы. Остаточное рассогласование по частоте становится, следовательно, нулевым.

Остаточное рассогласование по фазе, однако, как правило, отлично от нуля. Для схемы на рис. 26,20 справедливо равенство

Здесь fo-часгота управляемого по напряжению генератора при Uf = 0, Если при этом важно, чтобы фазовый сдвиг не только оставался постоянным, но и точно равнялся заданному значению , нужно применить ПИ-регулятор. Во многих случаях осуществляют регулирование при постоянном сдвиге фазы , т. е. управляющий вход U отсутствует. Тогда U представляет рассогласование регулирования.

Рис. 26.20. Структурная схема цепи автоподстройки.

Для выбора параметров регулятора необходимо знать частотную характеристику объекта. Как уже отмечалось, объект фазового регулирования обладает интегральной характеристикой. Для фазового сдвига справедливо соотношение

Чтобы определить частотную характеристику объекта, мы модулируем частоту w₂ синусоидальной модулирующей частотой w_m, относительно среднего значения w₁.

Следовательно,

Рис. 26.21. Элемент выборки-хранения в качестве фазового детектора.

Принимая во внимание отставание по фазе в 90^o, приходим к равенству

т.е. к передаточной функции интегратора. Отсюда находим комплексный коэффициент усиления объекта

Как мы уже видели, фазовый сдвиг может быть измерен только при заметном запаздывании в контуре регулирования. В случае когда k_-комплексная величина, фазовый сдвиг может заметно возрасти.

Качество контура регулирования фазы существенно зависит от использованного фазового детектора. Важнейшие типы детекторов рассмотрены ниже.

26.4.1. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ФАЗОВОГО ДЕТЕКТОРА

Фазовый сдвиг  между напряжениями U₁ и U₂ можно определить, измерив с помощью элемента выборки-хранения мгновенное значение U₁ для момента, в который U₂ проходит через нуль в положительном направлении. Для этой цели напряжение U₂ подается на вход срабатывающего по фронту одновибратора (рис. 26.21), который вырабатывает им-

Рис. 26.22. Эпюра напряжения в фазовом детекторе. Воздействия на U_ при включении в значительной степени исчезают, если выбранное t_a имеет тот же порядок величины, что и постоянная времени элемента выборки-хранения.

пульс опроса для элемента выборки-хранения. Как видно из рис. 26.22, выходное напряжение элемента выборки-хранения

Вблизи рабочей точки  = 0 характеристика детектора близка к линейной согласно соотношению

Отсюда находим постоянную преобразования фазового детектора

Как видно из рис. 26.23, следующая рабочая точка находится при  = . Тогда k_ = — U₁. Какую из двух рабочих точек выбрать, зависит от знака коэффициента усиления регулятора. Следующая устойчивая рабочая точка сдвигается на 2. Это означает, что фазовый детектор не различает сдвиг на полное колебание.

Если вместо синусоидального входного напряжения U, используют напряжение

Рис. 26.23. Передаточная характеристика элемента выборки-хранения, используемого в качестве фазового детектора.

треугольной формы, получается треугольная характеристика детектора. Для прямоугольных входных импульсов такую схему применять нельзя.