7. Схемы с фазовой автоподстройкой частоты (фапч)

В технике связи применяются устройства автоматического регулирования, т.е. синхронизация генераторов сигналов с автоматической подстройкой их частоты. Таким образом, частота генератора устанавливается такой, что она согласовывается с частотой опорного генератора с точностью до неизменного фазового сдвига. В частотно-избирательных интегральных схемах с фазовой автоподстройкой используются селективные свойства контура фазовой автоподстройки. Основные принципы построения схемы ФАПЧ были известны уже в начале 30-х годов. Существовало традиционное предубеждение против ФАПЧ при выполнении их на дискретных компонентах, которое было связано с большой стоимостью, сложностью их реализации и не достаточно надежной работой. Однако появление в 90-е годы большого числа ФАПЧ в интегральном исполнении позволило устранить первые два препятствия для их широкого применения. В настоящее время в связи с быстрым развитием телекоммуникационных систем ФАПЧ входит в состав сложных систем на кристалле. Такая возможность связана с тем, что если устройство ФАПЧ правильно спроектировано и используется не на предельных параметрах, то оно является таким же надежным элементом, как триггер или операционный усилитель.

7.1 Структурная схема фапч

Схема с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) – замкнутая система, которая состоит из фазового детектора, фильтра нижних частот, усилителя и генератора управляемого напряжением в цепи обратной связи. Структурная схема с ФАПЧ показана на рис.7.1

Устройство работает следующим образом. Фазовый детектор или фазовый компаратор сравнивает фазы входного опорного сигнала и выходного сигнала с генератора управляемого напряжением (ГУН) и вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное разности фаз.

Предположим, что на вход фазового детектора подается опорный сигнал с частотой , а генератор управляемый напряжением, под действием нулевого напряжения, также формирует сигнал с частотой. В случае поступления синфазных сигналов на входы фазового детектора, на его выходе импульсы будут отсутствовать. Если по каким либо причинам в момент временичастота (фаза) входного сигнала изменится, то на выходе фазового детектора формируется импульс, длительность которого пропорциональна разности фаз между входным сигналом и сигналом с ГУНа. Пройдя через фильтр низкой частоты и усилитель, постоянное напряжение воздействует на ГУН таким образом, что происходит подстройка, т.е. изменение частоты выходного сигналапод входной сигнал. Если, то выходное напряжение фазового детектораповысится, что приведет к увеличению выходной частоты ГУНа.

U_REF

U_VCO

Р

φ_e

ω_VCO

ω_REF

ис.7.2. Переходной процесс в ФАПЧ при изменении опорной частоты.

а – опорный сигнал , б – выходной сигнал ГУНа, с – сигнал фазовой ошибкикак функция времени,d – угловая частота ГУНа как функция времени,e – угловая частота опорного сигнала.

Е

ω_VCO

U_CNTRL

φ_e

сли же, то выходное напряжение фазового детекторапонизится, что приведет к уменьшению выходной частоты ГУНа. Процесс настройки закончится тогда, когда на выходе фазового детектора перестанут формироваться импульсы рис.7.2. Таким образом, показанные на рис.7.1 блоки, являются основополагающими в системах ФАПЧ.

а б

Рис.7.3. Передаточная характеристика: а – ГУНа, б - фазового детектора.

На рис.7.3.б представлена зависимость среднего значения выходного напряжения фазового детектора от фазовой ошибки . Напряжение с выхода фазового детектора можно записать в следующем виде:

(7.1)

где - коэффициент передачи фаза – напряжение фазового детектора, измеряется в В/радиан. Сигнал, который подается на генератор управляемый напряжением, равен:

(7.2)

где- коэффициент передачи низкочастотного фильтра;– коэффициент усиления по напряжению.

В результате воздействия этого напряжения, собственная частота колебаний ГУН изменится на величину ,(рис.7.3.а) в результате получим:

(7.3)

где - коэффициент передачи напряжение – частота генератора управляемого напряжением, измеряемая в Гц/В.

Пусть - частота входного сигнала. Когда произошел захват частоты схемой ФАПЧ, то справедливо равенство. Тогда можно записать, что

или(7.4)

Приравнивая (7.4) и (7.2) получим:

.

Следовательно, если схема с ФАПЧ захватила частоту, разность фаз между входным и выходным сигналом можно рассчитать следующим образом:

(7.5)

Генератор, управляемый напряжением, отрабатывает эту разность фаз и подстраивает собственную частоту генерации под частоту опорного сигнала. Максимальное изменение фазы между входным и выходным сигналами определяется схемой фазового детектора (кратно ). Если предположить, что максимальное изменение фаз между сигналами составляет, то максимальное значение сигнала с ГУН будет когда, а минимальное - когда. В этом случае максимальное значение напряжения подаваемого на ГУН составит:

В этом случае, максимальный диапазон частот, который может захватывать ГУН, в соответствии с (7.5), имеет вид:

(7.6)

Таким образом, если обозначить то:

(7.7)

Следует отметить, что полоса захвата симметрична по отношению к частоте собственных колебаний ГУН (рис.7.4). Вне этой полосы частота ГУН не может быть синхронизирована с частотой опорного сигнала. В этом случае результирующая разность фаз входного и выходного импульсов фазового детектора имеет вид:

(7.8)

где и - фаза входного сигнала и сигнала с ГУН соответственно.

При этом напряжение на выходе фазового детектора быстро меняется во времени. Следовательно, такой сигнал не пройдет через низкочастотный фильтр, и входное постоянное управляющее напряжение на входе генератора управляемого напряжением будет равно нулю. В результате частота колебаний ГУН будет равна частоте его собственных колебаний.

Когда ГУН захватит сигнал, разность фаз меняется в соответствии с выражением (7.5). При разность фаз составит. При- разность фаз меняется от 0 до, что соответствует верхней границе полосы захвата. Приразность фаз уменьшается от 0 до, что соответствует нижней границе полосы захвата.