Колледж космического машиностроения и технологий
Курсовая работа
по МДК 01.01 Приемо-передающие устройства, линейные сооружения связи и источники электропитания
Тема: Частотная АПЧ. Фазовая АПЧ. Цифровой синтезатор частот
Руководитель курсовой работы: Синицин К.А.
Королев, 2021 г.
Содержание
Введение
1. Частотная АПЧ
2. Фазовая АПЧ
3. Переходной процесс в системе ФАПЧ
4. Цифровой синтезатор частот
5. Цифровой синтезатор
6. Основные элементы цифрового синтезатора частот
Список литературы
Введение
Основные типы систем АПЧ
Система автоматической подстройки частоты (АПЧ) должна обеспечить требуемую точность настройки приемника при воздействии дестабилизирующих факторов.
Источником частотной нестабильности приемника является гетеродин. Случайные изменения частоты гетеродина приводят к изменениям промежуточной частоты .
В супергетеродинном приемнике должно выполняться равенство номинальных (расчетных) значений промежуточной частоты и частоты настройки фильтров УПЧ . При соблюдении этого условия изменения спектра сигнала оказываются минимальными, так как все его составляющие располагаются внутри полосы пропускания П тракта УПЧ. В реальной ситуации текущие значения , и отличаются от расчетных, поскольку на аппаратуру воздействуют различные дестабилизирующие факторы (изменение температуры, влажности и т. д.), всегда имеются погрешности в регулировке отдельных каскадов, ошибки в измерениях и др. Кроме того, частота может изменяться вследствие эффекта Доплера.
В результате между
|± ±
и , а также между и возникают расстройки:
- .
Как следствие, расходятся между собой и частоты и , так что
- =
Если расстройки настолько велики, что значительная часть боковой полосы спектра сигнала оказывается вне П, то это приводит к существенным линейным искажениям принятого сообщения.
Устранение расстройки может быть достигнуто воздействием на , либо на , так как от параметров приемника не зависит. На практике второй способ не применяется, так как в качестве фильтров в УПЧ используются сложные избирательные структуры на сосредоточенных или распределенных реактивных элементах, перестройка которых возможна только в весьма небольших пределах. Поскольку вклад в результирующую нестабильность отклонений пренебрежимо мал, подстройка частоты гетеродина должна устранить влияние только его собственной нестабильности и нестабильности частоты принимаемого сигнала.
С развитием техники радиоприема, и в первую очередь с переходом на СВЧ и более высокочастотные диапазоны (fc > 30 МГц), с повышением помехозащищенности, а также с улучшением эксплуатационных показателей аппаратуры возникла необходимость в автоматизации процесса подстройки частоты гетеродина. Были разработаны специальные радиотехнические устройства, получившие по своему первоначальному предназначению наименование систем автоматической подстройки частоты (АПЧ). Последние являются одной из разновидностей обширного класса систем автоматического регулирования (САР).
Для осуществления АПЧ в приемник вводится специальная цепь, упрощенная структурная схема которой приведена на рис. 1.22.,
Рис. 11.22
где ИЭ - измерительный элемент; Ф - фильтр; РЧ - регулятор частоты; Г гетеродин.
Различают следующие виды АПЧ в зависимости от вида измерительного элемента (ИЭ):
-- частотной автоматической подстройкой частоты (ЧАПЧ), где в качестве ИЭ используется частотный детектор (дискриминатор) ЧД, который оценивает отклонение частоты напряжения на входе цепи АПЧ от эталонного значения;
-- фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ), где в качестве ИЭ используется фазовый детектор ФД, оценивающий отклонение фазы напряжения на входе цепи АПЧ от фазы эталонного (опорного) напряжения.
В зависимости от типа цепи или узла РПрУ, дающего опорное значение частоты, с которым сравнивается частота подстраиваемого гетеродина, различают системы, в которых частота колебаний в РПрУ сравнивается:
-- с частотой, при которой пассивная цепь приобретает какие-либо характерные свойства (резонанс, либо баланс мостовой цепи и т. д.);
-- с частотой стабильного гетеродина;
-- с опорными частотами обоих видов (смешанные системы).
Схема, в которой за опорную частоту принимается резонансная частота цепи ЧД, имеет вид, представленный на рис. 1 1.23.
Рис. 11.23
Обычно частота, при которой характеристика ЧД проходит через (), соответствует настройке УПЧ. При уходе частоты гетеродина изменяется значение fnp, на выходе ЧД вырабатывается напряжение соответствующего знака и величины. Задача ФНЧ (как и в системе с АРУ) подавить "продукты" частоты модуляции.
Схема, в которой сравниваются частота на выходе УПЧ Йјр и частота опорного генератора (ОГ), имеет вид, представленный на рис.
11.24.
Рис. 11.24
На рис. 11.25 представлена смешанная схема, в которой колебания подстраиваемого генератора Г и опорного генератора ОГ с частотами fr и fo действуют на смеситель СМ и получаемое напряжение разностной частоты f - f f подается на вход опорного ЧД с частотой "нуля", равной fnpo. При отклонении от f на выходе ЧД вырабатывается напряжение, действующее на управляющую цепь гетеродина и подстраивающее его.
Рис. 11.25
1. Частотная АПЧ
Частотная АПЧ - устройство или метод автоматического изменения и удержания необходимой частоты электрических колебаний генератора. Метод заключается в автоматической дополнительной регулировке частоты генератора, по информации о рассогласовании частоты из цепи обратной связи. автоматический генератор колебание
Система ЧАНЧ
В системах ЧАПЧ в качестве измерительного элемента используется частотный детектор (дискриминатор), а в качестве РЧ используются варикапы (электронный РЧ) или чувствительный электродвигатель (электромеханический РЧ), который с помощью редуктора связан с конденсатором гетеродина. Для того чтобы управляющее напряжение, подводимое от ЧД, подстраивало, а не расстраивало частоту, - характеристики РЧ и ЧД (управляющей цепи) должны быть согласованы (рис. 11.26).
Абсолютный уход преобразованной частоты должен быть равен остаточной расстройке гетеродина. Т. е. для осуществления АПЧ крутизна ЧД и крутизна РЧ должны иметь противоположный знак.
|
х-ка Р Ч |
"-ка ЧД |
|
Рис. 11.26
Функциональная схема системы ЧАПЧ приведена на рис. 1 1.27.
Рис. 11.27
Схема состоит из смесителя и усилителя промежуточной частоты, входящих в линейный тракт приемника. Изменения частоты принимаемого сигнала (t) (задающего воздействия) должны отслеживаться регулируемой (выходной) величиной (t) с тем, чтобы разность между ними в любой момент была возможно более близкой к . Этот эффект достигается благодаря сравнению в ЧД мгновенного значения частоты f11P(t) с внутренним параметром частотного детектора - переходной частотой . Сигнал ошибки (t) после прохождения через ФНЧ и усиления в УПТ преобразуется в управляющее напряжение , приложенное к РЧ. Под воздействием частота (t) изменяется на в сторону уменьшения рассогласования между (t) и (t). РЧ обычно входит в колебательный контур автогенератора - гетеродина (Г), поэтому часто РЧ и Г объединены в одно звено.
Пусть из-за дестабилизирующих факторов частота Г, равная Й, изменилась на величину, равную Мнач. После срабатывания системы ЧАПЧ происходит подстройка частоты гетеродина, в результате чего его расстройка уменьшается на .
В установившемся режиме
, где - остаточная расстройка гетеродина после установления процессов в системе ЧАПЧ.
Расстройка на выходе УПЧ вызывает появление напряжения Uчд на выходе ЧД. Если характеристика ЧД линейна и имеет крутизну , то
Uчд = (14.2)
После фильтрации с коэффициентом передачи по постоянному току Кф
ф (14.3)
С помощью напряжения производится подстройка частоты гетеродина. Если характеристика РЧ линейна и крутизна равна тогда
(14.4)
Учитывая, что -- получаем
(14.5)
Или
Таким образом, выражение (14.6) показывает, что цепь АПЧ уменьшает в несколько раз. Отношение расстройки преобразованной частоты при разомкнутом кольце АПЧ к той же расстройке при замкнутом называют коэффициентом подстройки АПЧ:
В реальных цепях ЧАПЧ
Если < 1 расстройка при замыкании кольца АПЧ возрастает, т. е. система неустойчива. Исследование знака произведения в широкой области расстроек позволяет выяснить область устойчивой и эффективной работы системы.
Важной характеристикой системы АПЧ является зависимость от . Зависимость
=
называют характеристикой регулирования (рис. 11.28).
Если система АПЧ отсутствует, то
= 1,
Если АПЧ работает, то при отклонении частоты от номинального значения, растет следом увеличивается однако на начальном участке характеристики оа (оа') отклонение невелико по сравнению с вызывающим его изменением частоты . Цепь АПЧ работает, пока отклонение частоты не превышает значение , определяемое рабочим участком характеристики ЧД : ?.
При увеличении расстройки система выходит за рамки рабочего участка ЧД, напряжение на выходе ЧД падает до нуля. Система скачкообразно переходит в режим отсутствия АПЧ ( 1). На рис. 11.28 этому состоянию системы соответствует скачок характеристики из точки а (а') в точку Ь (b'), далее она пойдет по участку bc (b'c').
При обратном ходе процесса вначале частота находится далеко за пределами характеристики ЧД и нет воздействия на РЧ, так как
В точке d (d') на выходе ЧД появится заметное напряжение, которое уменьшит частоту гетеродина, вызовет напряжение и т. д. Точка d (d') неустойчива и происходит перескок на участок оа (оа').
Характеристика имеет аналогичный вид при расстройке в другую сторону от точки ().
На рис. 11.28 можно выделить две характерные области частот для приемника с АПЧ:
-- полоса удержания Пуд (от 0 до а и от 0 до а'), это полоса расстроек в которых система АПЧ удерживает преобразованную частоту близкой к правильному значению, при выходе за которую АПЧ перестает работать;
-- полоса захвата (схватывания) Пзах (от d до d'), это полоса расстроек частот, при которой происходит восстановление АПЧ. Эта полоса расстроек близка к полосе пропускания приемника. При введении преобразованной частоты сигнала в эту полосу происходит захват настройки приемника системой АПЧ. Для цепи АПЧ выполняется условие П уд > Пзах*
Работа АПЧ может нарушаться при замираниях сигнала, поэтому для повышения ее устойчивости применяют специальные меры:
-- меняют постоянную времени фильтра;
-- используют автоматический поиск сигнала при его пропадании;
-- применяют системы АПЧ, у которых полосы захвата и удержания мало отличаются друг от друга.
В системах ЧАПЧ требования к фильтрам аналогичны случаю АРУ. Т. е. в системах ЧАПЧ, как правило, во избежание самовозбуждения, не применяют фильтры с числом звеньев более двух.
2. Фазовая АПЧ
Система ФАПЧ
Структурная схема системы ФАПЧ представлена на рис. 1 1.29
В системах ФАПЧ в качестве ИЭ используется фазовый детектор, статическая дискриминационная характеристика которого имеет вид, изображенный на рис. 11.30.
|
ИФД |
||
|
О |
Рис. 11.30
Сигнал ошибки зависит от разности фаз сравниваемых в ФД колебаний с частотой и опорной частотой , формируемой в опорном (эталонном) генераторе ОГ. Стабильность частоты обеспечивается кварцевым резонатором. При отклонении опр от напряжение будет стремиться устранить это расхождение, изменяя частоту колебаний гетеродина.
При отличии частот, подводимых к ФД, разность фаз равна текущей фазе ?(t) напряжения разностной частоты :
где до -- ; ц0 - постоянная величина.
На выходе ФД получается переменное напряжение разностной частоты
Если частоты равны ( ), то разность фаз колебаний генераторов будет неизменной, и равной ц0, т.е. постоянство разности фаз свидетельствует о равенстве частот (До = 0). Это установившийся режим.
Установившийся режим в замкнутом кольце ФАПЧ возможен только при ()фД = 0, т.е. возможна автоподстройка с точностью до постоянной разности фаз (Р().
Характеристика регулирования системы ФАПЧ, приведенная на рис. 11.31, представляет собой зависимость средней разности частот (частота биений) от начальной расстройки.
Прямая наклонная линия отображает зависимость в разомкнутой системе ФАПЧ.
При малых значениях начальной расстройки ????нач частота равна частоте ОГ . При некотором значении начальной расстройки (точка а или а') система ФАПЧ переходит в режим биений (точка b или b'), при котором среднее значение частоты Г отличается от частоты ОГ.
Области начальных расстроек между точками 0 и а (а') называют полосой удержания. Величина Пуд определяется разностью граничных значений частоты Г, соответствующих наибольшему и наименьшему напряжениям на РЧ. Область начальных расстроек между точками 0 и с (с'), в которой при любых начальных условиях устанавливается режим удержания, называют полосой захвата.