3. Система автоматической подстройки частоты

Системы автоматической подстройки частоты применяются для стабилизации частоты генерируемых колебаний, слежения за частотой сигнала в радиоприемных устройствах, в демодуляторах частотно-модулированных колебаний с обратной связью по частоте и др.

Функциональная схема АПЧ супергетеродинного приемника (рис. 5.8) содержит в своем составе смеситель (СМ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), частотный дискриминатор (ЧД), фильтр низкой частоты (ФНЧ) и управитель гетеродина (УГ). Входной сигнал U_с(t) с частотой _c преобразуется в смесителе в напряжение промежуточной частоты _пр, затем усиливается усилителем промежуточной частоты и подается на частотный дискриминатор. Если промежуточная частота _пр отличается на  от ее номинального значения _пр0, то на выходе ЧД возникает напряжение, значение и знак которого зависят от значения и знака отклонения промежуточной частоты . Напряжение с ЧД U_чд через ФНЧ подается на гетеродин (Г), частота которого перестраивается, обеспечивая минимальное рассогласование значения _пр от номинальной частоты _пр0.

Рис. 5.8  Функциональная схема системы АПЧ

Отклонение промежуточной частоты сигнала _пр от номинального значения

 = _пр –  _пр0 = _c – _г, (5.0)

где _пр = _c – _г, _c = _c0 + _c – частота входного сигнала; _г = =_г0 + _г – частота гетеродина; _c, _г – отклонение частот входного сигнала и гетеродина от номинальных значений _c0, _г0.

Напряжение на выходе ЧД является функцией отклонения промежуточной частоты от номинального значения

u_чд = F(). (5.0)

Зависимость F() называют дискриминационной характеристикой (рис. 5.9). При малых значениях  дискриминационная характеристика линейна, и выражение (5.7) принимает вид

u_чд = k_чд, (5.0)

где k_чд – коэффициент передачи ЧД (крутизна дискриминационной характеристики).

Рис. 5.9  Дискриминационная характеристика частотного детектора

Под действием напряжения, снимаемого с фильтра U_ф=K_фU_чд, K_ф – коэффициент передачи ФНЧ, частота гетеродина перестаивается на

_г = K_г u_ф, (5.0)

где K_г – коэффициент передачи управителя гетеродина (УГ).

Из выражений (5.6), (5.8) и (5.9) следует, что ошибка регулирования промежуточной частоты в системе АПЧ может быть определена по выражению

, (5.0)

где K = K_чд, K_ф, K_г – коэффициент передачи системы АПЧ.

Уравнениям (5.6) – (5.10) соответствует структурная схема представленная на рис. 5.10.

Рис. 5.10  Структурная схема системы АПЧ

Структурная схема системы АПЧ учитывает дестабилизирующие факторы, влияющие на точность ее работы: n(t) – флуктуационная составляющая напряжения, поступающая с дискриминатора; _г – нестабильность гетеродина.

4. Система фазовой автоподстройки частоты

Системы фазовой автоподстройки частоты применяются в радиоприемных устройствах, перестраиваемых по частоте генераторах высокостабильных колебаний и других устройствах. Функциональная схема системы ФАПЧ (рис. 5.11) предназначена для стабилизации частоты подстраиваемого генератора (ПГ) по сигналу высокостабильного эталонного генератора (ЭГ).

Рис. 5.11  Функциональная схема системы ФАПЧ

Объектом управления в системе ФАПЧ является ПГ, частота колебаний (или фаза) напряжения которого изменяется в зависимости от напряжения, вырабатываемого управляющим элементом (УЭ), при этом напряжение ПГ остается неизменным. Частота напряжения ПГ является выходным сигналом системы ФАПЧ, на которую действует напряжение от эталонного генератора с частотой _э. Этот сигнал является управляющим воздействием. Измерителем рассогласования является фазовый детектор (ФД), выходной сигнал которого является нелинейной периодической функцией разности фаз сигналов, подаваемых от ЭГ и ПГ. Сигнал с ФД через ФНЧ подается на УЭ, который перестраивает частоту ПГ, приближая ее к частоте ЭГ. В установившемся режиме в системе устанавливается постоянная разность фаз между напряжениями u_э и u_г, при этом напряжение на выходе ФД также будет постоянным, в результате чего частота сигнала с ПГ окажется равной частоте сигнала ЭГ.

Начальное рассогласование от ЭГ и ПГ определяется как

_н = _э – _гн, (5.0)

где _гн – начальная частота сигнала ПГ.

После включения системы ФАПЧ частота сигнала ПГ будет описываться выражением:

_г = _гн – _гу. (5.0)

Частотная составляющая _гу возникает из-за перестройки частоты ПГ и определяется выражением

_гу = k_г k_уэ u_фд = k_г k_уэ k_д F(), (5.0)

где: k_г – коэффициент передачи ПГ по частоте;

k_уэ – коэффициент передачи УЭ;

k_д – коэффициент передачи ФД, равный максимальному напряжению на выходе ФД;

 – разность фаз напряжений ЭГ и ПГ;

F() – дискриминационная характеристика.

Важным параметром систем ФАПЧ является величина полосы захвата. Под полосой захвата понимается диапазон первоначальных расстроек между частотами сигнала и подстраиваемого генератора, в пределах которого обеспечивается переход к режиму слежения за частотой.

Для оценки максимально допустимого рассогласования используется полоса удержания, определяемая выражением

_уд = k_г k_уэ k_д , (5.0)

результат имеет размерность круговой частоты. С учетом (5.13) и (5.14) частота ПГ может быть определена по следующей формуле:

_г = _гн + _уд. F(). (5.0)

Разность фаз сигналов ЭГ и ПГ определяется выражением

. (5.0)

Из формулы (5.16) следует, что производная

. (5. 0)

Уравнение (5.17) является основным дифференциальным уравнением системы ФАПЧ, показывающим, что в любой момент времени алгебраическая сумма разности частот и расстройки является постоянной величиной, равной начальному рассогласованию частот сигналов ЭГ и ПГ.

Отличие структурной схемы системы ФАПЧ, приведенной на рисунке 5.12, от системы АПЧ (рис. 5.10) состоит в наличии в системе ФАПЧ интегрирующего звена , с передаточной функциейW=1/p, производящего математическую операцию интегрирования в соответствии с формулой (5.16).

Рис. 5.12  Структурная схема системы ФАПЧ

Интегрирующее звено и возмущающее воздействие n(t) учитывают влияние на качество работы системы флуктуационной составляющей напряжения, а воздействие _г – влияние нестабильности частоты ПГ.

Анализ показателей качества, устойчивость работы устройства приема и обработки сигналов представлены в литературе [22].