Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Lection RPrU / Lection RPrU.pdf

Скачиваний:

663

Добавлен:

11.05.2015

Размер:

51.34 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3031 / 4231 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 > Следующая >>>

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

С увеличением полосы преселектора требования к сопряжению снижаются. Переход к электронной системе настройки позволяет полностью исключить погрешность сопряжения во всем диапазоне рабочих частот.

Схема электронной настройки с синтезатором частот показана на рис.7.15. Необходимая частота устанавливается в синтезаторе частот (СЧ). Далее, в синтезаторе напряжения (СН) происходит скачкообразное либо плавное изменение управляющего напряжения, что обеспечивает перестройку преселектора на частоту сигнала.

Рис.7.15

В процессе работы РПУ преобразованная частота может изменяться и отличаться от промежуточной, на которую настроен ТПЧ. Причиной является уход частоты РПдУ после настройки РПУ, уход частоты гетеродина РПУ под воздействием дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, механических воздействий и т.п). В результате спектр преобразованного сигнала оказывается смещенным относительно АЧХ тракта промежуточной частоты, что приводит к его искажениям и появлению после детектирования нелинейных искажений либо к полному прекращению приема при больших уходах.

ЛЕКЦИЯ №27. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

7.3 Системы автоматической подстройки частоты

Для автоматического поддержания преобразованной частоты в полосе тракта основной избирательности в РПУ используется система автоматической подстройки частоты (АПЧ) (рис.7.16). В случае отклонения промежуточной частоты от номинального значения на выходе различителя Р вырабатывается напряжение Uр, которое после усиления воздействует на управитель У и ГУН. Происходит изменение частоты гетеродина таким образом, чтобы сохранить

271

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

номинальное значение fпч. В качестве элемента подстройки в контуре гетеродина обычно используется варикап.

fпч

fг

Рис.7.16

В зависимости от вида различителя различают частотную автоматическую подстройку частоты (ЧАПЧ) и фазовую автоматическую подстройку частоты (ФАПЧ). В ЧАПЧ измеряется отклонение преобразованной частоты от промежуточной частоты и в роли различителя выступает ЧД. В ФАПЧ производится сравнение фаз сигналов, а в роли различителя выступает ФД. ФАПЧ имеет более высокую чувствительность, поскольку реагирует на фазовые изменения частоты и, следовательно, на меньшую разность частот, чем ЧАПЧ.

7.3.1 Система ЧАПЧ

Рассмотрим работу системы ЧАПЧ. Пусть в результате воздействия дестабилизирующих факторов частота гетеродина изменилась на величину fг . Это изменение частоты гетеродина приведет к изменению значения промежуточной частоты fпч на величину fпч.нач. Напряжение на выходе ЧД

при наличии АПЧ определяется величиной частотной	ошибки fПЧ и
крутизной детекторной характеристики ЧД Sр:
Uр = fПЧSр .	(7.10)
График дискриминационной характеристики Uр = Fр(	fПЧ ) рассмотрен

ранее в разделе 7.

Изменение частоты гетеродина в процессе регулирования прямо пропорционально напряжению управления U у и крутизне характеристики

управления гетеродина Sг :

fгрег = SгU у .	(7.11)
Примерный график зависимости изменения частоты	гетеродина от

изменения управляющего напряжение fг = Fу( U у) приведен на рис.7.17.

272

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

fг

fг = Fу( Uу)

Uу

Рис.7.17

Напряжение управления при наличии усилителя постоянного тока с коэффициентом передачи Купт равно

	U у = UрКупт .					(7.12)
В результате регулирования начальное изменение промежуточной
частоты уменьшается или увеличивается до значения
	fпч =	fпч.нач +		fгрег ,		(7.13)
в зависимости от знака	fгрег .
На основании (7.10) – (7.12) из (7.13) получаем
	fпч =	fпч.нач +		fПЧSгSрКупт,
откуда
	fпч =		fпч.нач		.	(7.14)
			1 − SгSрКупт

Выражение (7.14) описывает систему АПЧ как замкнутую систему с
обратной связью по частоте. Если знак				произведения		SгSрКупт > 0 , то
обратную связь по	частоте можно считать положительной. Если знак
произведения SгSрКупт < 0 , то обратную				связь по частоте можно считать

отрицательной. При отрицательной обратной связи начальная частотная ошибка уменьшается. Коэффициент

k АПЧ =	fпч.нач	= 1 + SгSрКупт ,	(7.15)

	fпч

показывающий во сколько раз уменьшается начальная частотная ошибка, называется коэффициентом автоподстройки.

В замкнутой системе АПЧ изменение выходного напряжения дискриминатора на величину U является входным параметром для

управителя гетеродином с масштабным коэффициентом	Купт, а изменение
частоты гетеродина на величину f является входным		параметром для
частотного дискриминатора. В связи с этим, учитывая, что		fг = fпч , можно

273

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства
отобразить графики характеристик управителя fг = Fу(		U у) и различителя
U у = Fр( fпч) на одной плоскости.
Начальная ошибка	fпчнач может появиться	не только за счет

нестабильности частоты гетеродина. Причиной может послужить, например

уменьшение частоты входного сигнала на величину				fс . В этом случае при
верхнем преобразовании		fпчнач = fг − (fс −	fc ) или	fпчнач =	fс .	В любом
случае изменение частоты		fпч можно считать появившемся за счет изменения
частоты гетеродина	fг .
Найдем зависимость остаточного частотного отклонения						fпч от
частотного отклонения входного сигнала fс			при включенной автоподстройке.
Эту зависимость называют регулировочной характеристикой системы АПЧ.
При работе	АПЧ появившееся отклонение			U у будет	представлять

напряжение ошибки, которое, воздействуя на ГУН, изменяет частоту

гетеродина на величину				fгрег таким образом, чтобы остаточная ошибка
				fпчост = fгрег − fc .					(7.16)
	Если		уравнение	характеристики	различителя	решить		относительно
f	пчост	, то	получим	функциональную	зависимость	f	пчост	= F− ( U	у	) . В
	пчост						пчост	р	у

выражении (7.16) изменение частоты гетеродина в процессе регулирования

определяется зависимостью

fг = Fу(

U у) . То есть (7.16) можно переписать в

следующем виде:

F− (

) = F

( U

) −

(7.17)

Выражение (7.17) означает, что остаточная ошибка fпчост определяется

как абсцисса точки пересечения характеристики различителя

Fр( fпч)

характеристикой управителя

Fу (

U у) ,

смещенной вдоль

оси

частот

на

величину

fc .

На

рис.7.18 приведены

зависимости

в соответствии

(7.17) при

различных начальных расстройках по частоте. Точки пересечения графиков являются решениями уравнения (7.17). Так как точек пересечения графиков может быть от одной до трех, то при нахождении остаточной ошибки fпчост учитываются точки, характеризующие устойчивые состояния системы.

На рис.7.19 приведена регулировочная характеристика системы АПЧ. Рассмотрим поведение системы при изменении частоты входного сигнала. Допустим, что вначале fc = 0 и система осуществляет слежение за изменением частоты входного сигнала. Тогда точка пересечения характеристик управителя и различителя находится в начале координат (точка 0) и остаточная ошибка отсутствует (рис.7.18, рис.7.19).

274

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства
		U
		f грег
		f пч.ост			f
		f пч.нач
		0,5		f захв
			0,5	f уд
		Рис.7.18
fпч
		f уд
f	захв				fс
	захв
		Рис.7.19
При появлении расстройки		fc ≠ 0	точка пересечения характеристик
сместится и займет положение 1. Как видно из рис.7.18 остаточная ошибка
значительно меньше начальной расстройки			fпчнач =		fc .
Все последующие точки пересечения (точки 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 на рис.7.18)
характеристик управителя и различителя являются точками решения уравнения

275

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

(7.17). Анализ устойчивости полученных решений целесообразно производить с помощью (7.14).

Условие получения отрицательной обратной связи по частоте SгSрКупт < 0 означает, что крутизна характеристики управителя Sг и крутизна

характеристики различителя Sрдолжны иметь различные знаки. Для точек 1, 2

и 3 это условие выполняется, следовательно, состояние системы в них является устойчивым и коэффициент автоподстройки k АПЧ >> 0 .

При дальнейшем увеличении расстройки частоты сигнала крутизна характеристики различителя уменьшается до нуля и меняет знак на противоположный. Обратная связь по частоте становится положительной, так как SгSрКупт > 0 . В точке 4 произведение SгSрКупт = +1, коэффициент автоподстройки k АПЧ = 0 , fпчост стремится к бесконечности и система

осуществляет скачкообразный переход в точку 7. Происходит срыв слежения за частотой входного сигнала, остаточная расстройка при этом fпчост ≈ fc .

Точка 8 является устойчивым состоянием системы, несмотря на то, что обратная связь по частоте остается положительной. Это связано с небольшим значением крутизны характеристики различителя Sр в этой точке. Расстройка

сигнала, соответствующая срыву слежения за частотой входного сигнала,

является границей полосы удержания			f уд (рис.7.19).
При уменьшении значения		fc	слежение за частотой не осуществляется
до точки 6 из-за небольшого значения Sр. В точке 6 из-за роста крутизны
различителя	произведение SгSрКупт = +1, коэффициент автоподстройки
k АПЧ = 0 ,	fпчост стремится	к бесконечности и система осуществляет

скачкообразный переход в точку 2. В точке 2 система устойчива, т.к. обратная связь по частоте становится отрицательной SгSрКупт < 0 и k АПЧ >> 0 .

Таким образом, между точками 4 и 6 находится область неустойчивых состояний системы, так как обратная связь по частоте положительна и произведение SгSрКупт достаточно велико.

Расстройка сигнала, соответствующая началу слежения за частотой входного сигнала, является границей полосы захвата fзахв (рис.7.19). Как видно из графиков, полоса захвата уже полосы удержания.

Приближенный расчет полосы удержания можно произвести с помощью соотношения, полученного для треугольника ABD (рис.7.20).

Ширина основания треугольника ABD, как видно из проделанных построений, приблизительно равна половине полосы удержания. В свою очередь треугольник ABD состоит из прямоугольных треугольников ABC и BCD, основания которых можно определить из соотношений:

f =	U уmax	=	U уmax	,	(7.18)

1	tgβ		Sр

276

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

f2 =

U уmax tgα =

U уmaxSу .

(7.19)

Тогда полоса удержания

уд

= 2(

f +

) = 2

уmax

+ 1 ) .

(7.20)

Sр

Рис.7.20

На практике в структуре АПЧ между различителем и управителем

включается ФНЧ, устраняющий флуктуации напряжения в цепи управления

частотой гетеродина. В этом случае верхняя граничная частота фильтра

определяет быстродействие системы АПЧ.

7.3.2 Система ФАПЧ

В системе ФАПЧ производится сравнение фаз сигналов опорного генератора ОГ и промежуточной частоты, а в роли различителя выступает ФД

(рис.7.16).

Выходное напряжение ФД прямо пропорционально косинусу фазового угла между сигналами опорного генератора и промежуточной частоты

	ϕ(t) = (ωпч − ωог )t − (ϕпч − ϕог ) =	ωнач − ϕнач .
Система ФАПЧ работает в двух режимах:
1)	режим различения сигналов по частоте, когда	ωнач ≠ 0 ;
2)	режим различения сигналов по фазе, когда ωнач = 0 .

Впервом режиме на выходе ФД присутствует изменяющееся напряжение

счастотой разностной (ωпч − ωог ) , которое через УПТ поступает на

управитель и изменяет частоту гетеродина на величину

fг = SуU у .

(7.21)

277

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

(	fг	= + fc max )
(	fг	> 0)
− π ( fг = 0) − π / 2			0	π / 2	π

( fг = − fc max )

Рис.7.21

На рис.7.21 приведена детекторная характеристика ФД с учетом наличия УПТ на входе управителя. Выражение (7.21) означает, что на этом же рисунке по оси ординат могут быть отложены приращения частоты гетеродина с

некоторым масштабным коэффициентом в соответствии	с выражением
U у = fг / Sу. В связи с этим горизонтальные линии А, Б,	В и Г являются

характеристиками управителя и соответствуют начальным расстройкам частоты гетеродина или сигнала, так как в равновесном состоянии fг = fс .

В результате также как и в случае с ЧАПЧ, точки пересечения графиков управителя и различителя являются точками решения уравнения, описывающего процессы в замкнутой системе ФАПЧ. Определим точки, соответствующие устойчивым состояниям системы.

При появлении расстройки по частоте изменяющаяся фаза на входе ФД

может быть представлена в следующем виде:

ϕ(t) = [(ωг +

ωг ) − (ωс +

ωс) − ωог ]t + ϕнач .

Скорость изменения фазы во времени равна

dϕ(t)

= (ω

) − (ω

) − ω

= (

ω −

) = 2π(S

−

) , (7.22)

ог

так как должно соблюдаться условие ωпч = (ωг − ωс) = ωог .

Выражение (7.22) означает, что на рис.7.21 по оси ординат могут быть также отложены значения скорости изменения фазы во времени с некоторым масштабным коэффициентом.

В точке 2, являющейся решением (7.22) в случае отсутствия расстройки сигнала fc = 0 , при появлении положительного значения ϕ > 0 появится положительное значение напряжения управления Uу>0. Это означает, что скорость изменения фазы во времени в этой точке положительна, поэтому приращение фазы будет продолжать нарастать до точки 2/. При отрицательных значениях ϕ < 0 в этой точке появится отрицательное значение напряжения

278

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

управления и скорости изменения фазы во времени, поэтому система будет также продолжать удаляться от этой точки.

В точке 2/ при появлении положительного значения ϕ > 0 появится отрицательное значение напряжения управления Uу<0. Это означает, что скорость изменения фазы во времени в этой точке отрицательна, поэтому приращение фазы будет уменьшаться до точки 2/. При отрицательных значениях ϕ < 0 в этой точке появится положительное значение напряжения управления и скорости изменения фазы во времени, поэтому система будет возвращаться в точку 2/.

При появлении расстройки fc ≠ 0 в соответствии с (7.22) положительные значения скорости изменения фазы во времени будут присутствовать выше линии характеристики управителя, соответствующей расстройке, а отрицательные – ниже.

Таким образом, устойчивыми состояниями системы будут точки 1/, 2/, 3/ и 4. Неустойчивыми будут точки 1, 2 и 3.

Фазовые соотношения, необходимые для устойчивой работы системы ФАПЧ, устанавливаются автоматически.

При отсутствии захвата частоты сигнала ФД работает в режиме слежения по частоте. На выходе различителя присутствует переменное напряжение с

разностной частотой f			= fпч − fог . Частота гетеродина под воздействием этого
напряжения изменяется			в диапазоне fг ±	fг max , определяемом	величиной
± U уmax .	Как	только	частота входного	сигнала попадет в	диапазон
fг ± fг max	и	частота	fпч сравняется с частотой опорного генератора fог ,

произойдет скачкообразный переход в режим слежения по фазе. Напряжение на выходе ФД будет соответствовать ошибке системы ФАПЧ по фазе в диапазоне от 0 до π, что соответствует крайним точкам 4 и 1/ на рис.7.21.

fпч
fзахв =	fуд
	fс
Рис.7.22
279

<<< < Предыдущая 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3031 / 4231 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 > Следующая >>>