Радиоавтоматика

42

При нижней настройке ПГ увеличение частоты гетеродина приводит к увеличению напряжения ЧД UЧД (см. рис. 3.6,б) и управляющего напряжения

UУ (см. рис. 3.12,б), при этом приложенное к варикапу напряжение U

уменьшается, и емкость варикапа CB увеличивается (см. рис. 3.13,б), частота ПГ уменьшается:

На основе структурных схем функциональных звеньев смоделируем структурную схему системы ЧАПЧ.

3.7. Структурная схема системы ЧАПЧ в терминах частот

Определив структурные схемы функциональных звеньев См, УПЧ, ЧД,

ФНЧ и ПГ, построим структурную схему системы ЧАПЧ в терминах частот

(рис. 3.14) [6-7].

Рис. 3.14. Структурная схема системы ЧАПЧ в терминах частот

Полученная структурная схема системы ЧАПЧ в терминах частот не

удобна для анализа: во-первых, из-за наличия опорных частот f ПЧ 0 и f Г 0 ; во-

вторых, при анализе системы ЧАПЧ важно не абсолютное значение ее рабочей

частоты, который характеризует эффективность (точность) работы системы ЧАПЧ.

Ошибка регулирования тем меньше, чем больше коэффициент автоподстройки частоты K АПЧ .

Регулировочная характеристика системы ЧАПЧ (рис. 3.16,а), в режиме слежения представляет прямую линию, проходящую через начало координат под углом arctg (1/ K АПЧ ) к оси абсцисс [6-7].

При больших начальных расстройках начинают проявляться нелинейности элементов системы ЧАПЧ. Проведем графический анализ работы системы ЧАПЧ при больших расстройках.

45

ПЗ

ПУ

ПЧД

объединенные дискриминационная характеристика ЧД и регулировочная характеристика ПГ (б)

Объединим в одной системе координат f , UЧД дискриминационную

характеристику ЧД (см. рис. 3.6,б) и регулировочную характеристику ПГ (см.

рис. 3.12,б). Для этого из уравнения регулировочной характеристики ПГ и уравнения для ошибки регулирования отклонения частоты гетеродина запишем соответственно два равенства:

Построим в одной системе координат f , UЧД дискриминационную характеристику ЧД и регулировочную характеристику ПГ (рис. 3.16,б). Точка пересечения характеристик является точкой устойчивого равновесия системы ЧАПЧ, в которое система приходит после завершения переходного процесса.

46

При точной настройке на частоту сигнала fC 0 (см. рис. 3.16,а)

регулировочная характеристика ПГ находится в положении 1 (см. рис. 3.16,б).

Это означает, что промежуточная частота равна номинальному значению и ошибка системы, а соответственно и управляющее напряжение и напряжение ЧД равны нулю. При увеличении промежуточной частоты относительно номинального значения регулировочная характеристика ПГ перемещается вдоль оси расстроек. При этом на выходе ЧД появляется положительное напряжение, которое снижает частоту колебаний, генерируемых гетеродином.

Система приходит в новое устойчивое состояние, и ошибка системы

определяется новой точкой пересечения характеристик. При увеличении fC от fCO до верхней частоты удержания fУВ ( fC fС fСО ) система находится в режиме слежения (см. рис. 3.16,а). На рис. 3.16,б точки пересечения перемещаются по дискриминационной характеристике ЧД в области 0-а и

являются точками устойчивого равновесия. При дальнейшем увеличении

fC fУВ система выходит из режима слежения, и ошибка системы определяется равенством f fC (см. рис. 3.16,а). При этом точка пересечения а скачком переходит в точку b или более далекую точку (см. рис. 3.16,б) и точки пересечения в области abc являются точками неустойчивого равновесия. Если теперь уменьшить расстройку, то система войдет в режим слежения только при

верхней частоте захвата f ЗВ (см. рис. 3.16,а), а точка пересечения c скачком переходит в точку d (см. рис. 3.16,б). Аналогично работает система при уменьшении промежуточной частоты относительно номинального значения:

47

Полосой удержания ПУ называют область отклонений частот сигнала,

соответствующую режиму слежения, если система вначале находилась в этой

области.

Полосой захвата П З называют область отклонений частот сигнала,

соответствующую режиму слежения, если система вначале находилась вне этой

Таким образом, система ЧАПЧ работает по отклонению и слежение за частотой сигнала происходит всегда с некоторой ошибкой, определяемой коэффициентом автоподстройки частоты K АПЧ 1 K0 , при этом частота сигнала удерживается в заданных пределах.

48

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОКИ ЧАСТОТЫ

4.1. Функциональная схема системы ФАПЧ

Система ФАПЧ применяется в САР, в которых ошибка отклонения по частоте должна быть равна нулю, для получения высокостабильных колебаний.

К таким САР относятся системы, использующие телевидение, демодуляцию фазомодулированных сигналов, когерентный и корреляционный прием сигналов, синхронизацию коммутаторов каналов систем [6-7, 15].

Принцип работы системы ФАПЧ основан на том, что постоянство разности фаз двух синусоидальных сигналов приводит к равенству частот этих сигналов f1 f2 (рис.4.1).

U

f1 f2

t

Рис. 4.1. Эпюры сигналов, поясняющие принцип работы системы ФАПЧ

Функциональная схема системы ФАПЧ (рис. 4.2), содержит эталонный генератор (ЭГ), фазовый дискриминатор (ФД), ФНЧ и ПГ.

Рис. 4.2. Функциональная схема системы ФАПЧ

49

Система ФАПЧ стабилизирует частоту ПГ по частоте сигнала высокостабильного ЭГ. ФД — это устройство, предназначенное для преобразования разности фаз двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты ЭГ fC и ПГ f Г в напряжение ФД UФД , которое через ФНЧ в виде управляющего напряжения UУ подается на вход управляющего элемента ПГ. В

установившемся режиме в системе устанавливается постоянная разность фаз между синусоидальными колебаниями ЭГ и ПГ, при этом напряжение на выходе ФД также будет постоянным, в результате частота сигнала с ПГ окажется равной частоте сигнала с ЭГ (см. рис. 4.1).

4.2. Структурная схема фазового дискриминатора

Структурные схемы ПГ и ФНЧ в системе ФАПЧ, аналогичны структурным схемам системы ЧАПЧ. Поэтому необходимо смоделировать

fC

в

Рис. 4.3. Фазовый дискриминатор:

а — функциональная схема; б — дискриминационная характеристика; в — структурная схема

50

ФД — это устройство, у которого амплитуда и знак выходного

напряжения определяется сдвигом фаз между двумя колебаниями.

Дискриминационная характеристика ФД (рис. 4.3,б) является

Проведем линеаризацию дискриминационной характеристики ФД, считая, что устойчивым состоянием является левый скат косинусоиды. Тогда математическое описание функциональной зависимости между входными и выходной величинами UФД F( ) звена ФД, представленного на рис. 4.3,а, на основе рис. 4.3,б запишется в следующем виде:

где f f Г fС .

Структурная схема ФД для математического описания

Рассмотрим принципиальную схему балансного диодного ФД (рис.4.4)

[13-14]. Напряжение сигнала подводится к диодам VD1 и VD 2 с помощью