Постановка задач исследования.

Объектом исследования в данной работе является простейшая система ФАПЧ, в которой в качестве управляемого генератора (VCO) используется частотный модулятор. Исходная схема модели (см. рис. 8.3) рассчитана на исследование ее как частотного детектора. Модель включает источник ЧМ сигнала (модули 2 и 3) и собственно модель ФАПЧ (модули 0, 1, 4, 5). При проведении исследований источник сигнала и модель ФАПЧ модифицируются путем изменения параметров модулей и введения в состав структуры дополнительных модулей.

Рисунок 8.3. – Модель ФАПЧ для исследования ее как ЧМ демодулятора.

Задачи данной работы решаются путем анализа сигналов в различных точках модели ФАПЧ, как во временной, так и в частотной областях, а также получения на их основе оценок параметров самой ФАПЧ. При выполнении исследований, в частности, при оценке спектров, необходимо использовать нужные отрезки реализации сигналов, характерные для того или иного варианта использования ФАПЧ. Так, при оценке нелинейных искажений, вносимых ФАПЧ при демодуляции, следует учитывать переходный режим ФАПЧ (соответственно, участок реализации, где этот режим наблюдается). При исследовании установившихся режимов, характерных для работы ФАПЧ в составе управляемого генератора, следует выбирать фрагменты реализации, где переходные процессы закончились.

На рисунке 8.4 изображена схема модели синтезатора частоты на основе ФАПЧ. В цепи обратной связи включен делитель частоты (модуль 3). Кроме того, в схему введен элемент частотной коррекции (модуль 7), позволяющий существенно расширить полосу захвата. Следует отметить, что входом синтезатора является коэффициент деления (целое число), задаваемый с панели настроек параметров делителя. Выходом синтезатора является выход ГУН.

Рисунок 8.4. – Структурная схема модели синтезатора частоты с делителем в цепи обратной связи.

При исследовании синтезатора необходимо уделить внимание сигналу управления ГУН. В нем явно просматривается участок захвата (начальный участок) и участок отслеживания. В идеальном случае на участке отслеживания сигнал должен представлять собой постоянное напряжение. Чем сильнее отличие от постоянного напряжения, тем хуже качество выходного сигнала ФАПЧ.

В работе необходимо исследовать работу предложенной схемы ФАПЧ при дискретной перестройке частоты в пределах полосы захвата, дать оценку спектру генерируемого синтезатором сигнала и качеству работы рассматриваемого синтезатора.

Ход выполнения работы

1. Загрузите исполняющий файл Lab_8_1.svu (см. рис. 8.3). Задайте частоту модулирующего сигнала (модуль 3) в соответствии с таблицей вариантов (f_инф__ЧМ, Гц); запишите параметры модулей и настройки системного времени. Дополните модель анализирующими блоками для регистрации сигналов во всех точках схемы.

Запустите модель на цикл моделирования и постройте графики передаваемого и принятого сообщений и их спектров. (Для более наглядного представления следует использовать временные окна и изменение масштаба по оси частот). Определите время переходного процесса в системе ФАПЧ и коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала частотного детектора (модуль 6), принимая во внимание только первые три его гармоники.

2. Исследуйте влияние разновидностей (типов) используемого формирующего фильтра на время переходного процесса, заменяя фильтр Бесселя, на фильтр Баттерворта, затем – Чебышева (с неравномерностью частотной характеристики – 0,1дБ). Порядок и настройки фильтра сохраните те же.

Используя в качестве формирующего фильтр Чебышева, изменяя его порядок от 3 (исходное значение) до 8, постройте зависимость времени переходного процесса и коэффициента нелинейных искажений от порядка фильтра. Результаты исследований представьте в виде таблиц и графиков.

3. Исследуйте зависимость времени переходного процесса и коэффициента нелинейных искажений от изменения коэффициента усиления в петле обратной связи. Для этого целесообразно вернуться к исходному значению порядка фильтра (3) и, изменяя коэффициент усиления усилителя, (модуль 4) регистрировать время переходного процесса и спектр выходного сигнала. Последний дает возможность рассчитать коэффициент нелинейных искажений. Постройте графики полученных зависимостей. Увеличивая коэффициент усиления, оцените его максимальное значение, при котором еще обеспечивается устойчивая работа ЧМ детектора.

4. Для исследования явления захвата и удержания задающего колебания следует дополнить исходную модель (файл Lab_8_1.svu) элементами, моделирующими перестройку частоты несущего колебания на входе ФАПЧ. Для этого между источником ЧМ сигнала (модуль 2) и входом ФАПЧ (модуль 1) следует поместить фрагмент схемы, моделирующий перестройку частоты, изображенный на рисунке 8.5.

Рисунок 8.5. – Фрагмент схемы, моделирующей частотную перестройку.

Таблица 8.1. Параметры дополнительно введенных модулей:

Параметры генератора ЛЧМ сигнала (Freq. Sweep):	Параметры полосового фильтра (Band Pass):
Amp = 1B Start.freq = 1.9 кГц Stop.freq = 2.1 кГц Period = 0.5с	Тип – фильтр Баттерворта Порядок – N=5 Частоты среза: fLO = 750 Гц, fHI = 1500 Гц.

Частоту генератора передаваемого сообщения (модуль 3) следует увеличить до 100 Гц. После внесения изменений запустите модель и постройте график сигнала на выходе ФАПЧ. По графику определите момент начала формирования сигнала с частотой 100Гц (момент захвата) и момент окончания формирования (момент срыва слежения). Зная скорость сканирования частоты Sweep-генератора и его начальную (конечную) частоту, определите полосу захвата и полосу удержания ФАПЧ.

5. Загрузите файл модели Lab_8_2.svu (см. рис. 8.4). Задайте параметры модулей (частоту опорного сигнала f_оп – модуль 0, центральную частоту ГУН f_{0_ГУН} – модуль 2) в соответствии с индивидуальным вариантом задания (см. табл. 8.2). Начальный коэффициент пересчета K_нач, задаваемый в модуле 3, рассчитайте самостоятельно, округлив до ближайшего целого значения отношение . Частоту среза формирующего фильтра (модуль 5) установите равной (0,4…0,5)·f_оп.

6. Запустите модель на цикл моделирования и получите графики управляющего сигнала ГУН и спектра выходного сигнала ГУН (выход синтезатора).

7. По полученным графикам определите:

• время переходного процесса;

• частоту спектральной линии сигнала генерируемого синтезатором;

• ширину спектра «пьедестала» фазовых шумов и его относительный уровень;

• наличие гармонических компонент в спектре «пьедестала» и их частоты.

8. Измените коэффициент деления делителя в цепи обратной связи на единицу в сторону увеличения и выполните пункты 6 и 7.

9. Дайте новое единичное изменение коэффициента деления и повторите пункты 6 и 7, и так до тех пор, пока еще будет наблюдаться явление захвата. Обратите внимание, что длительность переходного процесса может превышать интервал моделирования. В этом случае необходимо увеличить параметр Stop Time в настройках системного времени.

10. Повторите пункты с 6 по 9, уменьшая значения коэффициента пересчета каждый раз на единицу от начального значения (К_нач) до предельного (К_min), при котором еще будет наблюдаться захват.

11. Результаты измерений занесите в таблицу, где в качестве независимой переменной рассматривается коэффициент деления. Определите диапазон работы синтезатора. Постройте графики зависимости частоты генерируемой спектральной линии, ширины и относительного уровня пьедестала от коэффициента пересчета. Приведите графики управляющих сигналов ГУН и спектров его выходных сигналов для начального значения коэффициента пересчета и его предельных значений, соответствующих границам захвата.