курсач / материалы / Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

в качестве которой можно использовать частоту настройки ЧД или частоту ГЭЧ.

Часто в системах АПЧ используют поисковое устройство (ПУ), управляющее частотой гетеродина по определенной программе (рис. 11.3). После того как частота гетеродина достигает значения, обеспечивающего попадание сигнала в полосу приема, в устрой­ стве захвата (УЗ) вырабатываются сигналы «захвата» и перестройка частоты гетеродина прекращается. В качестве ИЭ в этом случае можно использовать резонансный контур, настроенный на стабили­ зируемую частоту гетеродина (для первой группы систем АПЧ) или на промежуточную частоту (для второй группы систем АПЧ). В некоторых системах АПЧ одни и те же каскады (чаще всего это выходные) могут сначала работать в режиме «поиска», а затем при «захвате» переходить в режим слежения за частотой сигнала. Известны системы АПЧ, которые используются как измерители ча­ стоты сигнала [4].

По виду схем различают: электронные системы АПЧ, в которых используют только электронные элементы для усиления и преобра­ зования сигналов, а также для регулировки частоты, и электро­ механические системы АПЧ, в которых наряду с электронными элементами содержатся механические регуляторы частоты.

Электронные системы АПЧ обладают ббльшим быстродействием, чем электромеханические, а электромеханические системы АПЧ позволяют обеспечить больший диапазон подстройки частоты. Часто используют комбинированные системы, в которых применены и электромеханические и электронные АПЧ. При этом обеспечивает­ ся сравнительно большой диапазон подстройки частоты и достаточ­ ное быстродействие.

По характеру сигнала различают: непрерывные, импульсные и дискретные системы АПЧ. В дискретных системах АПЧ регули­ рующее напряжение формируется из импульсов одного такта работы приемника, а используется в следующем такте [б, 6].

По типу измерительного элемента системы АПЧ делятся на частотные (АПЧ) и фазовые (ФАПЧ). В частотных системах АПЧ в качестве измерительного элемента используются частотные де­ текторы, а в ФАПЧ—фазовые детекторы [4].

По быстродействию системы АПЧ делятся на быстрые (БАПЧ) и медленные инерционные [8]. В медленных системах АПЧ время установления переходного процесса во много раз больше времени установления переходного процесса в приемном канале, опреде­ ляемого полосой пропускания канала (для импульсных приемных устройств — несколько периодов повторения импульсов). В БАПЧ время установления переходного процесса меньше длительности импульсных сигналов.

По характеру зависимости ошибки от величины внешнего воз­ действия системы АПЧ делятся на статические и астатические. Ста­ тическими называются такие АПЧ, в которых при постоянном внеш­ нем воздействии имеется постоянная установившаяся ошибка, за-

422

висящая от величины воздействия. Астатическими называются такие системы, в которых при любом постоянном внешнем воздей­ ствии установившаяся ошибка равна нулю. Система является аста­ тической, если в ее составе имеются интегрирующие элементы. Примером астатического системы АПЧ является ФАПЧ.

Основными узлами АПЧ являются гетеродин, регулятор часто­ ты гетеродина, частотный или фазовый детектор и фильтр низких частот. Кроме того, в систему АПЧ могут входить смеситель, пре­ образователь напряжения, усилители и эталоны частоты (источники эталонных колебаний).

11.2. РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНЫХ ЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ АПЧ

Вначале рассмотрим методику расчета электронной непрерыв­ ной частотной системы АПЧ второй группы (рис. 11.2). Методика расчета такой системы АПЧ является более общей, ее можно рас­ пространить и на другие варианты системы АПЧ с учетом их осо­ бенностей. На выходе ЧД формируется управляющее напряжение, которое через ФНЧ и УПТ подается на РЧ гетеродина. Номиналь­ ные значения частот промежуточной, гетеродина и сигнала соот­ ветственно равны Дп, Дг, До. Под действием различных дестабили­ зирующих факторов частоты сигнала и гетеродина изменяются

Нижняя настройка гетеродина выбрана для большей определенно­ сти расчета, хотя методика расчета пригодна и для верхней настройки гетеродина (Дг > До), так как в этом случае изменяется только знак отклонения промежуточной частоты. Управляющее напряжение зависит от изменения промежуточной частоты.

Основные характеристики и параметры систем АПЧ

Статической характеристикой регулятора частоты (рис. 11.4) называется зависимость изменения частоты АД стабилизируемого

рабочего диапазона частот гетеродина. В этой точке частота гете­ родина Д должна соответствовать номинальному значению Дг, а управляющее напряжение должно быть равно нулю (СДпр = 0). Участок характеристики, проходящий через начало координат (на­ чальный участок), аппроксимируется прямой линией. Крутизной

статической характеристики регулятора частоты на этом участке называется величина

Как правило, за пределами начального участка крутизна посте­ пенно уменьшается и становится равной нулю. Возможный диапазон управления частотой определяется граничными значениями изме­ нения частоты гетеродина Д/п и Д/г2 и управляющего напряжения ^ynpi и Uупр2.

Статической характеристикой измерительного элемента назы­ вается зависимость в установившемся режиме напряжения (7Р, развиваемого на его выходе, от величины отклонения частоты Д/п сигнала (в данном случае промежуточной) от номинального значе­ ния /Оп:

Пр=1Р(Д/п). (11.5)

Вид статической характеристики определяется частотной харак­ теристикой УПЧ и статической характеристикой частотного детек­ тора. Если полоса пропускания УПЧ, входящего в состав измери­ тельного элемента, значительно больше полосы частот между экстре­ мумами характеристик частотного детектора (как чаще всего и бы­ вает на практике), то характеристика измерительного элемента опре­ деляется в основном характеристикой ЧД.

Крутизной статической характеристики измерительного элемента (частотного детектора) на начальном линейном участке называется величина

В зависимости от схемы частотного детектора и выбранной по­ лосы пропускания УПЧ характеристика ИЭ может быть различной (рис. 11.5). За начало отсчета по шкале частот на характеристике

424

. частотного детектора взята точка, соответствующая номинальному значению частоты настройки частотного детектора /Чд. В системах АПЧ, поддерживающих промежуточную частоту сигнала постоянной, эта частота совпадает с номинальным значением промежуточной /чд = /опПределы начального линейного участка характеристики

-определяются граничными значениями отклонения промежуточной частоты Д/п1 и Д/п2 и напряжения (7р1 и Пр2 (рис. 11.5). За преде­ лами этого участка крутизна постепенно падает, а затем может ме­ нять знак на обратный (кривая 2). Если в начальный момент (в мо­ мент включения системы АПЧ) частоты сигнала и гетеродина изме­ няются на постоянную величину Д/о нач и Д/г нач, то и промежу­ точная частота в этот момент будет отличаться от своего номинально­ го значения на величину начальной расстройки

В результате подстраивающего действия частотной системы АПЧ частота гетеродина стремится к тому значению, при котором про­ межуточная частота будет мало отличаться от номинальной. Для статической АПЧ в установившемся режиме промежуточная частота сигнала /пу отличается от номинальной /Оп на остаточную ошибку А/о

Отношение величин начальной расстройки Д/нач и остаточной ошибки Д/о характеризует эффективность работы системы АПЧ и называется коэффициентом подстраивающего действия частотной

рактеристик частотного детектора и регулятора частоты гетеродина

'(а на рис. 11.6), построенных в системе координат Д/п, (7упр. При этом характеристика частотного детектора проходит через начало

координат Д/п = 0, ’ 17упр = 0 и ее ординаты увеличены в Хупт (Хунт — коэффициент усиления УПТ) раз, а характеристика регу­ лятора частоты смещена по оси абсцисс на величину начальной рас­ стройки Д/нач. При малых начальных расстройках, когда точка пересечения а не выходит за пределы линейных участков этих харак­ теристик, коэффициент подстраивающего действия равен

Из рис. 11.6 и формул (11.7) и (11.8) видно, что установившееся значение остаточной ошибки при этом линейно зависит от началь­ ной постоянной расстройки. Зависимость остаточной ошибки от начальной расстройки Д/о = у (Д/Нач) при больших расстройках можно определить графоаналитическим методом [11.

Если постепенно увеличивать начальную расстройку

.(рис. 11.6, а), то остаточная ошибка вначале остается небольшой,

•425

а затем, так как характеристики пересекаются на склоне характе­ ристики частотного детектора, возрастает (рис. 11.6,6) значитель­ но. При больших расстройках подстраивающее действие АПЧ .умень­

имеющей частотный детектор с характеристикой, соответствующей кривой 2 на рис. 11.5, полоса удержания больше полосы схватыва­ ния (рис. 11.6), так как в режиме слежения точка устойчивого рав­ новесия а будет находиться на начальном участке характеристики

частотного детектора и при расстройках, превышающих Д/нач1, но меньших Д/нач2.

Временем установления переходного процесса /уч называется временной интервал, который отсчитывается от момента изменения частоты сигнала на входе и по истечении которого изменение проме­ жуточной частоты отличается от своего установившегося значения на 10%, т. е. Д/п = 1,1 Д/о.

Переходные процессы в системе АПЧ наблюдаются при быстрых изменениях частот сигнала или колебаний гетеродина. Предполага-

426

ется, что длительность этих изменений значительно меньше длитель­ ности переходного процесса. Длительность переходного процесса зависит от вида и параметров инерционных цепей системы АПЧ, а также в значительной степени определяется величиной коэффи­ циента подстраивающего действия (Q) системы АПЧ. Инерционными цепями могут быть ЧД, ФНЧ, РЧ. С точки зрения быстродействия постоянные времени этих цепей необходимо выбирать возможно меньшими, a Q, наоборот, большим. При большом Q время установле­ ния в замкнутой цепи АПЧ во много раз меньше, чем время установ­ ления переходных процессов в инерционных цепях. Однако умень­ шение постоянных времени инерционных звеньев и увеличение ко­ эффициента подстраивающего действия ограничены условиями обеспечения устойчивости, а также допустимым расширением спек­ тра частот колебаний гетеродина под действием помех, проникающих на регулятор частоты гетеродина. Особое значение приобретают вопросы устойчивости систем АПЧ, в которых имеется несколько инерционных цепей с близкими по величине постоянными времени, или цепи (контура УПЧ и частотного детектора), создающие запаздываниЛ сигналов.

При проектировании системы АПЧ необходимо произвести ана­ лиз устойчивости системы или выбрать параметры ее такими, чтобы она была устойчивой. Система АПЧ устойчива, если после устране­ ния возмущающего воздействия она возвращается в состояние рав­ новесия. Система АПЧ возбуждается на какой-то частоте Йо, назы­ ваемой собственной, если сдвиг фазы <р в цепи 180° и коэффициент

Учитывая, что параметры системы АПЧ могут быть нестабиль­ ными, необходимо обеспечить, чтобы система АПЧ находилась дале­ ко от неустойчивого состояния, т. е. имела запас устойчивости. В про­ тивном случае при случайном изменении усиления или сдвига фаз система может стать неустойчивой.

Запасом устойчивости по фазе Д<ру01 называется тот дополнитель­ ный сдвиг фаз, который нужно ввести в цепь на частоте, при которой коэффициент передачи равен единице (на частоте среза Qop), чтобы сделать систему АПЧ неустойчивой.

Запасом устойчивости системы АПЧ по амплитуде ААуст назы­ вается то дополнительное усиление, которое нужно ввести в систему на частоте Qo, при фазовом сдвиге л, чтобы сделать систему неус­ тойчивой. На практике известно, что достаточно иметь запас устой­ чивости по амплитуде ААуст = 6... 10 дБ, а по фазе А<руСт = 30 ...

... 40°.

Устойчивость системы АПЧ можно анализировать, пользуясь логарифмическими амплитудно-частотной (ЛАХ) и фазочастотной (ЛФХ) характеристиками, при этом цепь АПЧ должна быть разом­ кнута между выходом УПТ и входом регулятора частоты (сечение а—а' на рис. 11.2). ЛАХ и ЛФХ разомкнутой цепи АПЧ с коэффи­ циентом подстраивающего действия Q на круговой частоте й, состоя­ щей из п отдельных звеньев, описываются соответственно выраже-

427

звеньев, откладывая по оси абсцисс lg (й) (единицей измерения ча­ стоты Q в логарифмическом масштабе является декада), а по оси ординат — коэффициенты передачи, выраженные в децибелах, и сдвиг фаз, выраженный в градусах. Сложив ординаты характери­ стик отдельных звеньев, можно найти ординаты ЛАХ цепи АПЧ (рис. 11.7).

а в

Рис. 11.7. Логарифмические частотные характеристики системы АПЧ, имеющей Q=101 и содержащей две интегрирующие /?С-цепи с Тф1 = 1 с и Тф2=10 мс.

В технических заданиях на проектирование систем АПЧ гетеро­ динов супергетеродинных радиоприемных устройств непрерывных сигналов могут быть заданы следующие исходные данные:

—номинальное значение частоты принимаемых сигналов /ос;

—изменение частоты сигнала /с по каким-либо причинам на ве­

личину Д/с = Д — /00;

—стабилизируемая промежуточная частота /п;

—допустимая остаточная ошибка системы АПЧ А/о;

—максимально допустимое значение длительности переходного процесса /уч при перепаде частоты сигнала скачком на А/Нач,

—дисперсия флюктуаций частоты гетеродина од;ш при воз­

действии флюктуационной помехи, сопровождающей сигнал, при заданном их отношении сигнал/помеха на входе у = t/c/aV2.

Кроме того, при проектировании АПЧ гетеродина используются и другие исходные данные, полученные при проектировании прием­ ного устройства. Типовая структурная схема части супергетеродин­ ного приемника, включающей систему АПЧ, приведена на рис. 11.2. Из технических характеристик и параметров, которыми обладает гетеродин, выбранный при проектировании приемника, для расчета АПЧ используются следующие;

428

— статическая характеристика регулятора частоты (рис. 11.4);

—номинальное значение частоты гетеродина /оГ и напряжение (опорное напряжение) (7оР на регуляторе частоты;

—нестабильность частоты гетеродина Д/г.

Если система АПЧ работает по принимаемому сигналу, то ее частотный детектор подключается к УПЧ основного канала приема или к его части. При этом перед смесителем можно использовать усилитель высокой частоты.

Если приемник совмещен с передатчиком, то в системе АПЧ может использоваться самостоятельный смеситель, на вход кото­ рого подается часть мощности передатчика. Чаще всего этот смеси­ тель аналогичен основному. В том и другом случае из расчета прием­ ного канала известен уровень сигнала на входе измерительного элемента, а следовательно, и на входе УПЧ (1/п вх). Полоса пропус­ кания УПЧ, входящего в состав АПЧ, может выбираться при про­ ектировании АПЧ или основного канала приема.

Задача проектирования АПЧ заключается в выборе и расчете параметров системы АПЧ и отдельных ее устройств (УПЧ, ЧД, ФНЧ, УПТ).

Изменения частот принимаемых сигналов и гетеродина служат исходными данными для расчета начальной расстройки и полосы схватывания системы АПЧ. Допустимая остаточная ошибка системы АПЧ (A/о) задается в технических заданиях, исходя из допустимо­ го расширения полосы пропускания приемника. Остаточная ошиб­ ка получается тем меньше, чем больше коэффициент подстраиваю­ щего действия Q. Однако сам коэффициент Q ограничен, так как . нельзя обеспечить сколь угодно большие коэффициенты передачи звеньев АПЧ, а, кроме того, при больших Q система может оказать­ ся неустойчивой.

Частоты гетеродина и промежуточная выбираются при проекти­ ровании приемного устройства в целом исходя из заданной номиналь­ ной частоты сигнала. Однако следует учитывать, что при сравни­ тельно низких промежуточных частотах возникает опасность захва­ та системой сигнала с частотой, близкой к частоте зеркального ка­ нала, особенно в том случае, когда в АПЧ применяется поиск, осу­ ществляемый в сравнительно широком диапазоне частот. При малых промежуточных частотах в системах АПЧ приходится предусматри­ вать защиту от захвата сигналов с частотами зеркального канала.

429

Расчет параметров непрерывной частотной системы АПЧ

Так как при расчете АПЧ в приемном устройстве была выбрана нижняя настройка гетеродина (/г < /0), то после смесителя мгновен­

Известно, что изменения частот сигнала и гетеродина могут иметь большое число составляющих, обусловленных разными причинами. Часть этих изменений носит случайный характер, а часть — ре­ гулярный. Учет всех этих нестабильностей позволяет определить то максимальное значение изменения промежуточной частоты А/птах. которое в расчетах АПЧ в каждом конкретном случае используется как начальная расстройка А/нач = А/п тах. Если максимальные значения изменений частот сигнала А/о тах и гетеродина АД. max имеют противоположные знаки и носят регулярный характер, то

Начальная расстройка А/нач и заданная ошибка АПЧ А/о поз­ воляют определить требуемое значение коэффициента подстраиваю­ щего действия QT частотной системы АПЧ.

Чтобы обеспечить заданную в техническом задании остаточную ошибку А/о при начальной расстройке А/иач, коэффициент подстраи­ вающего действия системы АПЧ должен быть равен (11.9)

Для выбранного гетеродина известна крутизна статической характеристики регулятора частоты Spq (11.4). На основании рас­ считанного коэффициента подстраивающего действия QT можно определить требуемое значение крутизны частотного детектора си­ стемы АПЧ

ны различные варианты этих детекторов, описание и расчет которых приведены в гл. 9. Методика расчета частотного детектора АПЧ в основном такая же, как для детектора канала приема. Однако вы­ бор некоторых параметров имеет свою специфику.

Основные соотношения для расчета параметров АПЧ приведены в табл. 11.1.

При проектировании системы АПЧ целесообразно обеспечить максимальную крутизну характеристики Зчд max частотного де­ тектора, так как в этом случае для получения требуемой крутизны

430

Q.

2

О

431