8

Николайчук В.Н., Сарафов Б.В.

Лабораторная работа

Исследование автоматической подстройки частоты в приемнике

Цель лабораторной работы состоит в изучении принципов работы автоматической подстройки частоты (АПЧ) в радиоприемном устройстве. Рассматриваются характеристики отдельных элементов статической АПЧ и всей системы в целом, а также влияние ее на характеристики приемного устройства частотно-модулированных сигналов.

1. Общие положения

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) находит широкое применение в супергетеродинных приемниках различного назначения. Она может использоваться для стабилизации частоты гетеродина или стабилизации частоты преобразованных колебаний. В последнем случае АПЧ в одинаковой степени реагирует как на уход частоты гетеродина, так и на отклонение частоты сигнала. При этом положение спектра сигнала поддерживается в центре частотной характеристики усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Это обстоятельство позволяет использовать более узкую полосу пропускания приемного тракта, что особенно важно при повышенных требованиях к чувствительности и частотной избирательности приемника.

Функциональная схема приемного устройства с АПЧ, стабилизирующей промежуточную частоту, представлена на рис.1. Элементами системы АПЧ являются измерительное устройство (различитель), фильтр низкой частоты (ФНЧ), усилитель постоянного тока (УПТ), регулятор частоты гетеродина (управитель). Различитель реагирует на отклонение промежуточной частоты от номинальной (эталонной) и вырабатывает управляющее напряжение U_упр, соответствующее величине и знаку этого отклонения. После усиления в УПТ это напряжение управляет частотой гетеродина посредством управителя, изменяя ее таким образом, чтобы отклонение промежуточной частоты уменьшить. УПТ увеличивает эффективность автоподстройки. Фильтр (ФНЧ) обеспечивает подавление частот модуляции в управляющем напряжении и устанавливает скорость срабатывания АПЧ, т.е. определяет степень ее инерционности.

В данной работе исследуется АПЧ, в которой различителем служит частотный детектор. Типичная характеристика его представлена на рис.2.

В качестве элемента управления частотой гетеродина может быть использована емкость запертого p-n перехода (варикап). Зависимость частотной расстройки гетеродина (f_гет) от приложенного к варикапу управляющего напряжения представляет собой характеристику управителя, изображенную на рис.3.

При возникновении в приемнике начальной расстройки f_нач, вызванной отклонением частоты сигнала или уходом частоты гетеродина, после переходного процесса установится остаточная расстройка f_ост (ошибка АПЧ). Для линейного участка характеристик различителя и управителя (т.е. для небольших расстроек) эта ошибка будет определяться выражением

f_нач

f_ост=  (1)

1+K_упт S_р S_упр

Здесь S_р и S_упр - крутизны характеристик различителя и управителя; K_упр - коэффициент усиления УПТ. Знак минус в (1) соответствует инвертирующему преобразованию (f_пр=f_г-f_с), а знак плюс – не инвертирующему (f_пр=f_с-f_г). Отсюда следует, что если УПТ не меняет знак управляющего напряжения, то для нормальной работы АПЧ в первом случае необходимо обеспечить противоположный наклон характеристик различителя и управителя, чтобы выполнить условие S_р S_упр<0, а во втором S_р S_упр>0. Остаточная расстройка при этом меньше начальной и равна

f_нач

f_ост=  (2)

1+K_упт S_рS_упр

Эффективность АПЧ может быть оценена коэффициентом автоподстройки

K_ап=1+K_упт |S_р| |S_упр| = f_нач/f_ост. (3)

Из (3) следует, что эффективность АПЧ возрастает с ростом петлевого усиления, которое определяется произведением K_упт |S_р| |S_упр|. Однако это не означает, что K_ап можно сколь угодно повышать за счет увеличения петлевого усиления. Система АПЧ, как содержащая обратную связь, может потерять устойчивость и возбудиться. Для того, чтобы не допустить этого, приходится ограничивать K_ап и иметь достаточно инерционный ФНЧ (большую постоянную времени _ап).

В приемниках ЧМ сигналов АПЧ может привести к искажению сквозной частотной характеристики (характеристики верности). Действительно, частотная модуляция представляет собой частотное отклонение сигнала. Поэтому АПЧ при определенных условиях может отреагировать на него. В результате действия АПЧ девиация ЧМ сигнала уменьшится. Уменьшится и уровень выходного сигнала на тех частотах модуляции, для которых ФНЧ недостаточно инерционен. Это явление проявляется тем сильнее, чем больше петлевое усиление в АПЧ.

Выше система АПЧ рассматривалась при малых расстройках. В широкой области частот работа АПЧ описывается регулировочной характеристикой, представляющей собой зависимость f_ост=Ф(f_нач). Но в отличие от (1) эта характеристика соответствует той полосе частот, в которой автоподстройка "удерживает" сигнал при плавном уходе частоты, или "захватывает" сигнал при подходе к нему. Указанные полосы частот носят соответствующие названия "полосы удержания" и "полосы захвата". Эти полосы могут быть равными или несколько различаться в зависимости от вида характеристики различителя (в данной работе они равны). Регулировочная характеристика может быть построена как решение системы двух нелинейных уравнений, представляющих собой характеристики различителя и управителя. О построении этой характеристики будет сказано в разделе 3.6 (рис.5).