Минобрнауки России

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет

«Московский институт электронной техники»

Лабораторная работа № 6

по курсу «Приемопередающие устройства 2»

Исследование синтезатора частоты на основе схемы фапч

2021

Цель работы

Цель работы – изучение принципов работы ФАПЧ, экспериментальное исследование синтезатора частот на основе ФАПЧ.

Продолжительность работы

Лабораторная работа рассчитана на 0,1 зачетных единицы, 4 часа

Оборудование, приборы, инструментарий

В состав лабораторного стенда входит:

• лабораторная установка «Исследование синтезатора частоты»,

• цифровой мультиметр UT60F,

• цифровой запоминающий осциллограф DSO 1002A Agilent Technologies,

• соединительные кабели.

Краткие теоретические сведения

Петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является основой синтезатора частоты. Кроме синтезатора, петля ФАПЧ может использоваться как:

• смеситель для переноса частоты с очень высоким подавлением комбинационных составляющих

• формирователь спектра модулированного сигнала

• детектор сигнала с угловой модуляцией

Эквивалентная схема петли ФАПЧ показана на рис.1. и включает в себя три минимально необходимые элемента: фазовый детектор ФД, фильтр низкой частоты ФНЧ и управляемый напряжением генератор ГУН.

На входы фазового детектора одновременно поступает опорный сигнал и сигнал от управляемого генератора . На выходе фазового детектора имеет место сигнал ошибки , пропорциональный разности фаз колебаний опорного и управляемого генераторов. Этот сигнал после ограничения по полосе частот в ФНЧ поступает на управляющий вход ГУН, изменяя его частоту таким образом, что сигнал ошибки становится равным нулю в установившемся состоянии.

Рисунок 1 – Функциональная схема ФАПЧ

Возможность установления нулевого сигнала ошибки (совпадение фаз и частот опорного и управляемого генераторов) зависит от исходной разности частот. Если разность частот находит в пределах, называемой полосой захвата, сигнал коррекции с выхода фазового детектора изменяет частоту управляемого генератора до тех пор, пока эти частоты не совпадут. При значительной разности частот «захвата» частот не происходит и ГУН работает в автономном режиме.

В установившемся режиме работы частота ГУН с точностью до фазы совпадает с частотой опорного генератора. Если в результате случайных воздействий частота управляемого генератора не слишком сильно отклоняется от частоты опорного генератора, петля ФАПЧ вырабатывает нормальный сигнал коррекции, удерживая частоту управляемого генератора. Если случайное отклонение частоты управляемого генератора будет очень велико, больше полосы удержания петли, то сигнал ошибки на выходе фазового детектора не откорректирует частоту управляемого генератора, петля фазовой автоподстройки «разваливается» и управляемый генератор переходит в режим автономной генерации.

К «развалу» петли фазовой автоподстройки могут привести не только слишком большие, но и слишком быстрые отклонения частоты управляемого генератора. Петля фазовой автоподстройки имеет определенное время выработки сигнала коррекции. И если период отклонения частоты управляемого генератора будет превышать время установления петли, то частота управляемого генератора не будет корректироваться, и управляемый генератор также будет работать в автономном режиме.

Модуляция

Выход

Рисунок 2 – Функциональная схема синтезатора частоты

Дополнительно к общей схеме ФАПЧ (рисунок 1) схема синтезатора частоты (рисунок 2) в явном виде содержит источник опорной частоты, делитель частоты с постоянным коэффициентом деления 1/M в канале опорного генератора и делитель частоты с переменным коэффициентом деления 1/N, установленный в канале управляемого генератора. Внешний модулирующий сигнал поступает непосредственно на управляемый генератор.

Равенство частот на входе фазового детектора устанавливает очевидное соотношение между частотами опорного и управляемого генераторов:

,

где – частота сравнения.

Генерация сетки частот обеспечивается изменением коэффициента деления в цепи управляемого генератора. Очевидно, что при изменении коэффициента деления N на единицу частота управляемого генератора измениться на величину частоты сравнения .

Уравнения, описывающие схему рисунка 2, являются наиболее общими для петли ФАПЧ и могут применяться при описании любого функционального применения петли ФАПЧ, а именно: синтезатор частоты, смеситель, детектор, модулятор и т.п.