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

Рис. 11.10. Принципиальная схема частотной АПЧ приемника импульсных сигналов.

после пикового детектора установим истоковый повторитель на

вцепи АПЧ не требуется.

19.Постоянную времени интегрирующей цепи ФНЧ выбираем из условий (11.43)

Этим двум условиям удовлетворяет величина тф — 0,018 G. Выбираем сопротивление фильтра /?ф = 100 кОм. Тогда емкость

фильтра Сф = 0,018/Ю5 = 0,18 мкФ.

Принципиальная схема рассчитанной системы АПЧ приведена на рис. 11.10.

442

11.3. РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМ ФАЗОВЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПОДСТРОЕК ЧАСТОТЫ

Принцип действия и основные параметры

Особенность системы фазовой автоматической подстройки ча­ стоты гетеродина (ФАПЧ) заключается в использовании в ее из­ мерительном элементе фазового детектора (ФД), в котором срав­ ниваются колебания стабилизируемого гетеродина /г и генератора эталонной частоты (ГЭЧ) /0 или сигнала промежуточной частоты /п и напряжения ГЭЧ (рис. 11.2). Остальные элементы ФАПЧ, т. е. стабилизируемый гетеродин (Г), регулятор частоты (РЧ), фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), усилитель постоянного тока (УПТ) и смеситель (С) такие же, как

всистеме АПЧ.

ВФАПЧ обеспечивается постоянство разности фаз и, следова­

указанные частоты отличаются друг от друга на постоянную ве­ личину А/, то в рассматриваемый момент времени t разность фаз ф между ними будет равна ф = 2л (/г — /9) t + Фо = 2л АД + Фо> где фо — начальная разность фаз.

После фазового детектора в системе ФАПЧ включен фильтр нижних частот (ФНЧ), на выходе которого выделяются низкочастот­ ные составляющие продетектированного сигнала. Если коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания принять равным единице, то регулирующее напряжение на выходе фильтра (7Р будет зависеть от текущего сдвига фаз между колебаниями

Напряжение (7Р используется в схемах ФАПЧ для подстройки частоты гетеродина при помощи регулятора частоты. При этом ча­ стота стабилизируемого гетеродина изменяется по тому же закону, что и регулирующее напряжение С/р. Следовательно, изменение частоты /г в данном случае будет определяться изменением сдвига фаз между колебаниями генератора эталонной частоты и стабили­ зируемого гетеродина или сигнала промежуточной частоты.

Многие характеристики и параметры, используемые при расчете частотной системы АПЧ, применяются и при расчете системы ФАПЧ: статические характеристики регулятора частоты (11.1) и измерительного элемента (11.5), крутизна статической характери­ стики регулятора частоты (11.4), начальная расстройка (11.7), полосы схватывания и удержания, время установления переход­ ного процесса и др. Однако расчет этих характеристик и параме­ тров имеет свою специфику. Статической характеристикой фазового

443

детектора называется зависимость (11.44) выходного напряжения фазового детектора от разности фаз сигнала и колебаний генератора эталонной частоты в установившемся режиме. Время установле­ ния переходного процесса /уч определяется в ФАПЧ как интервал времени, в течение которого заданная величина начальной расстрой-, ки А/нач уменьшается до заданной величины Л/„ в конце этого ин­ тервала.

В начальный момент в системе ФАПЧ на выходе фазового детек­ тора образуется переменное напряжение разностной частоты, кото­ рое должно быть передано на регулятор частоты гетеродина. По­ этому полоса схватывания (Псх) ФАПЧ зависит от полосы пропус­ кания (постоянной времени) ФНЧ. Величина максимально возмож­ ного в данной системе ФАПЧ изменения частоты стабилизируемого гетеродина равна полосе удержания (Пу)

полоса схватывания равна полосе удержания Псх = Пу [3]. Для обеспечения помехозащищенности и устойчивости системы ФАПЧ постоянную времени ФНЧ необходимо выбирать большой, и если при ЭТОМ 16Sp4(7njaxT(j) > 1, то Псх < Пу [3].

По точности система АПЧ уступает ФАПЧ, в которой ошибка по частоте в установившемся режиме равна нулю. Но в системе АПЧ, не уменьшая полосы схватывания, можно выбирать постоян­ ную времени ФНЧ большой величины, что повышает ее устойчивость и помехозащищенность. Возможность получения более широкой по­ лосы схватывания и лучшая устойчивость являются преимущест­ вами системы частотной АПЧ.

Таким образом, в зависимости от того, какой критерий качества (точность или полоса схватывания) является определяющим для подстройки частоты гетеродина, выбирают частотную или фазовую систему АПЧ.

В технических заданиях на проектирование непрерывной систе­ мы ФАПЧ предъявляются те же требования, что и для частотной системы АПЧ, за исключением установившегося значения оста­ точной ошибки, которое для системы ФАПЧ равно нулю. Для расчета ФАПЧ используются те же исходные данные, что и для рас­ чета АПЧ.

Расчет параметров непрерывной системы ФАПЧ

Методика расчета приводится для непрерывной системы ФАПЧ гетеродина супергетеродинного приемника, структурная схема которого приведена на рис. 11.2.. Эту методику легко распростра-

444

нить и на другие случаи, учтя особенности рассчитываемых сис­ тем. Величина начальной расстройки А/„ач определяется по форму­ лам (11.13) — (11.15). У выбранного гетеродина диапазон электрон­ ной регулировки частоты 2А/Г должен перекрывать поле возможных начальных расстроек

2Л/г>2Л/нач. (11.47)

Чтобы в системе ФАПЧ обеспечивался захват сигнала при всех изменениях его несущей частоты и частоты гетеродина, требуемое значение полосы схватывания должно перекрывать поле возможных начальных расстроек

Регулирующее напряжение формируется фазовым детектором. Для системы ФАПЧ могут быть выбраны различные фазовые детек­ торы, расчет которых приведен в гл. 9. По приведенной методике можно рассчитать выбранный фазовый детектор и определить его максимальное выходное напряжение Umax. Если в качестве фазово­ го детектора системы ФАПЧ выбрать балансный фазовый детектор (рис. 11.11), то целесообразно его использовать в таком режиме, при котором его выходное напряжение мало зависит от амплитуды сигнала, для того чтобы стабилизировать характеристику системы ФАПЧ при изменении уровня сигнала. Для этого значение ампли­ туды сигнала на входе ФД ((7С) выбирается порядка нескольких вольт

а амплитуда сигнала генератора эталонной частоты (U.) намного меньше (70, т. е. UOs^ Ua. Практически достаточно, чтобы

445

Заданная номинальная промежуточная частота Ав которая равна частоте ГЭЧ (/п = /9), и требуемый уровень напряжения Ua служат исходными данными для выбора принципиальной схемы и расчета ГЭЧ, в качестве которого можно использовать транзисторный квар­ цевый генератор [10].

Для выбранного фазового детектора при выполнении условия (11.51) статическая характеристика фазового детектора описывается зависимостью

рассчитывается так же, как для частотных детекторов (11.19). Отсю» , да максимальное выходное напряжение фазового детектора равно

При Этом необходимо проектировать УПТ так, чтобы он работал

Параметры Купч и Пупч служат исходными данными для расче­ та УПЧ (гл. 5).

Постоянная времени ФНЧ выбирается из нескольких условий: заданного времени установления переходного процесса, заданной полосы схватывания и устойчивости системы ФАПЧ. Если постоян­

то полоса схватывания равна полосе удержания Псх = Пу, Время установления при этом не зависит от постоянной времени

деляется допустимое максимальное значение времени запаздывания

446

сигнала в У11Ч (т8 тах), при котором обеспечивается устойчивость системы ФАПЧ

1^0,5 ("j/1 *4 (85рч Uтах Тф)2 — 1)

Для спроектированного УПЧ с помощью графика рис. 11.9 определяется время запаздывания (т0). Если т8 < т8 таХ) то систе­

идр. Система ФАПЧ в этом случае будет неустойчивой или будет иметь малый запас устойчивости,

Поэтому целесообразно полосу удержания’системы ФАПЧ, как

ипрежде, предусмотреть настолько большой, чтобы она ограничи­ валась предельно возможным значением выбранного напряжения £/ртах (11.49).

Полосу схватывания необходимо выбрать равной удвоенной ве­

личине начальной расстройки

: Псх — 2А/нач, (11.60)

а постоянную времени ФНЧ выбрать так, чтобы она определяла не­ обходимую полосу схватывания, равную начальной расстройке. Для этого, вычислив отношение полос схватывания и удержания,

447

При Псх/Пу < 0,5 постоянную времени фильтра можно рассчи­ тать следующим образом:

В этом случае время установления переходного процесса в си­

же, как и для первого случая, по формулам (11.58) и (11.59). Если не удается в системе ФАПЧ реализовать заданные параметры (^Уч2 > ^уч), то необходимо в ней применить поиск сигнала по частоте для того, чтобы уменьшить требуемую полосу схватывания.

Заданные по ТЗ и рассчитанные параметры системы ФАПЧ поз­ воляют выбрать принципиальную схему и рассчитать основные эле­ менты цепи ФАПЧ. Методика проектирования этих элементов та­ кая же, как и для частотной системы АПЧ.

11.4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕТЕРОДИНА

При проектировании систем АПЧ требования, предъявляемые к отдельным их характеристикам и параметрам, могут оказаться противоречивыми. Так, например, для повышения точности частот­ ной системы АПЧ требуется увеличить крутизну статической ха­ рактеристики ЧД, для чего следует уменьшить полосу частот между экстремумами характеристики, а это, в свою очередь, приводит к сужению полосы схватывания. Время установления переходного процесса можно сократить, уменьшая постоянную времени тф ФНЧ или увеличивая коэффициент подстраивающего действия Q, но при этом ухудшается устойчивость системы АПЧ. В системе ФАПЧ для увеличения полосы схватывания следует уменьшать постоянную времени Тф, а это снижает устойчивость системы. Для обеспечения высокой точности и широкой полосы схватывания применяют ком­ бинированные системы АПЧ [3]:

—с параллельными широкополосной и узкополосной цепями выделения сигнала ошибки в ИЭ;

—с широкополосным ЧД, управляемым дополнительной узко­ полосной внутренней системой АПЧ;

—с параллельной работой двух регуляторов частоты гетеро­

дина;

— с устройством поиска сигнала, В первой системе АПЧ широкополосная цепь обеспечивает тре­

буемую полосу схватывания, а узкополосная — позволяет полу­ чить необходимую точность. В широкополосной цепи ИЭ исполь­ зуется, как правило, широкополосный частотный детектор (ШЧД), и эта часть системы работает как частотная система АПЧ

448

(рис. 11.13, а); в узкополосной цепи ИЭ можно применить узко­ полосный частотный детектор (УЧД) или фазовый детектор. Во вто­ ром случае узкополосная часть системы работает как ФАПЧ (рис. 11.13, в).

Вэтой системе выход ШЧД включен последовательно с УЧД

иФД и суммарный сигнал ошибки поступает на вход общего РЧ гетеродина. Перед УЧД можно применить дополнительное преоб­ разование частоты (рис. 11.13, а). Вторая промежуточная частота выбирается примерно на порядок меньше первой для того, чтобы можно было увеличить крутизну характеристики УЧД. Из суммар­

Рис. 11.13. Структурные схемы АПЧ гетеродина с параллельными широкопо­

лосным и узкополосным ЧД (а) с широкополосным ЧД, управляемым допол­ нительной внутренней частотной системой АПЧ (б), с параллельными широ­ кополосным ЧД и ФД (в), с широкополосным ЧД, управляемым дополни­ тельной внутренней ФАПЧ (г).

чального участка УЧД. Поэтому при проектировании параметры ШЧД выбирают так, чтобы обеспечить заданную полосу схватыва­ ния, а УЧД и ФД — так, чтобы обеспечить заданную точность.

Для обеспечения эффективной работы системы с ФД внутренняя ФАПЧ должна обладать широкой полосой удержания (Пу = 2А/НЗч).

Во второй системе АПЧ (рис. 11.13, б) дополнительная узко­ полосная внутренняя система автоподстройки используется для автоматического управления переходной частотой ШЧД, для чего управляющий элемент УЭ подключен к контурам ШЧД. Полоса схватывания внутренней системы автоматической подстройки долж-

449

на быть несколько больше частотной ошибки широкополосной АПЧ, Коэффициент подстраивающего действия системы о частотной вну­ тренней автоподстройкой равен произведению коэффициентов под­ страивающего действия широкополосной (QJ и внутренней узко- - полосной (Qz) систем

Рис. 11.14. Статические частотные характеристики широкополосного (/) и узкополосного (2) ЧД, а также их суммарная характеристика (5).

Поэтому при использовании второй системы АПЧ по сравнению о первой удается получить существенный выигрыш по точности. Прак­

счет действия первого регулятора частоты второй регулятор (элек­ тродвигатель) будет плавно изменять частоту гетеродина при подходе к зоне устойчивого равновесия. При этом благодаря инте­ грирующему действию второго регулятора частоты удается компен­ сировать начальную расстройку А/наш до величины, определяемой

450

зоной нечувствительности электродвигателя А/нача и тем самым улучшить точность системы, определяемую первым управляющим элементом. В результате остаточная расстройка A/os = fHa42/Q1 сильно уменьшается.

Система АПЧ с устройством поиска (рис. 11.16) позволяет обес­ печить захват сигнала при больших начальных расстройках. По­ исковое устройство (ПУ) принудительно изменяет частоту гетеро­ дина в широких пределах. При приближении стабилизируемой ча­ стоты к номинальному значению в первом случае поисковое устройст­ во отключается, а во втором — переводится в режим слежения, Во

Рис. 11.16. Системы АПЧ с поисковым устройством, включенным параллельно

(а) и последовательно (6) с основной цепью.

время поиска система АПЧ разомкнута, она включается только при вхождении частоты в полосу схватывания, т, е. система АПЧ и устройство поиска работают последовательно,

Всистеме АПЧ, реализованной по схеме на рис. 11,16, а, в ка­ честве ПУ можно использовать специальный генератор синусои­ дального или пилообразного напряжения, связанный с регулятором частоты гетеродина. При вхождении частоты сигнала в полосу схва­ тывания на выходе УПЧ появляется сигнал, который с помощью детектора детектируется и используется для остановки поиска.

Всистеме АПЧ, реализованной по схеме на рис. 11.16, б, поиск может осуществляться, в частности, путем самовозбуждения УПТ, входящего в систему АПЧ [4], положительной обратной связью. Напряжение с выхода УПТ подается на РЧ и «качает» частоту ста­ билизирующего гетеродина. При попадании частоты сигнала в поло­ су схватывания УПТ оказывается охваченным отрицательной обрат­ ной связью через систему АПЧ. Если коэффициент отрицательной обратной связи превысит коэффициент положительной обратной свя­ зи, то самовозбуждение УПТ прекратится. Для прекращения авто­ колебаний в УПТ из-за отрицательной обратной связи системы АПЧ

иприведения ее в состояние устойчивого равновесия необходимо

параметры цепи положительной обратной связи УПТ выбрать так,

451