Радиоавтоматика: Учебное пособие по лабораторному практикуму, страница 11

Шумовая полоса системы ФАПЧ без ФНЧ

                                                (16)

Как видно из выражений (14) – (16), параметр  должен удовлетворять противоречивым требованиям: с целью уменьшения шумовой фазовой ошибки он должен быть мал, а с целью увеличе­ния полосы захвата и уменьшения динамической ошибки его необ­ходимо увеличивать. Данное противоречие устраняется с исполь­зованием ФНЧ в системе ФАПЧ.

Для широко используемого пропорционально-интегрирующего фильтра (ПИФ) с передаточной функцией

шумовая полоса системы

                                                 (17)

где   – добротность системы по скорости в с^–1; .

Из формулы (17) следует, что при фиксированном значении па­раметра   (заданной динамической ошибке) путем выбора параметров  и  фильтра можно обеспечить малую шумовую полосу, а следовательно, малую шумовую ошибку. Существуют оптимальные значения параметров   и l, при которых достигается минимальная результирующая фазовая ошибка

Эти значения определяются по формулам

Зависимость остаточной частотной расстройки  от началь­ной  для системы ФАПЧ с ПИФ приведена на рис.13. Прямая 1 соответствует разомкнутой системе, прямая 2 – режиму слежения, кривая 3 – режиму захвата и кривая 4 – срыву слежения и переходу в режим биений. В отличие от системы ФАПЧ без ФНЧ, для ко­торой  , для системы с ПИФ имеет место неравенство . Объясняется это тем, что при введении фильтра ко­лебание с выхода ФД ослабляется (на частотах  усиле­ние фильтра приблизительно равно , где  – усиление на частоте ). Следовательно, максимальное отклонение частоты ПГ убывает, а это и означает сужение полосы захвата по сравнению с полосой удержания (управляющее напряжение в режиме слежения постоянное, а для него коэффициент передачи фильтра равен ).

Рис. 13. Зависимость остаточной частотной расстройки от начальной расстройки

3. Лабораторная установка

Лабораторная установка состоит из макета системы ФАПЧ, ос­циллографа, генератора стандартных сигналов (ГСС), двух частото­меров, вольтметра и источника регулируемого постоянного напряже­ния,

Функциональная схема лабораторного макета система ФАПЧ представлена на рис. 14. На вход смесителя (См) поступает сигнал, снимаемый с выхода ГСС (номинальная частота сигнала  кГц). На другой вход смесителя поступает гармони­ческое колебание, вырабатываемое подстраиваемым генератором-гетеродином (ПГ). Номинальная частота  кГц (собственная частота ПГ в отсутствие управляющего напряжения). Сигнал проме­жуточной частоты  с выхода См подается на уси­литель промежуточной частоты (УПЧ), настроенный на частоту  кГц.

Рис. 14. Функциональная схема лабораторного макета

С выхода УПЧ сигнал промежуточной частоты поступает на вход фазового дискриминатора (ФД), на другой вход которого по­дается опорное колебание частоты  кГц, вырабатывае­мое кварцевым опорным генератором (ОГ). При работе системы ФАПЧ в режиме слежения частотная расстройка  и напряжение на выхода ФД равно  ( – максималь­ное значение,  – фазовая ошибка). Фаза колебания промежу­точной частоты на выходе УПЧ с точностью до фазовой ошибки ус­танавливается равной  рад относительно фазы колебания ОГ. Для ввода системы ФАПЧ в режим слежения необходимо уменьшить начальную частотную расстройку сигнала    до значения , определяющего полосу захвата системы. Срыв слежения происходит в системе ФАПЧ при увеличении частотной расстройки  до значения  определяющего поло­су удержания системы (причем ). Фильтр нижних частот (ФНЧ), в качестве которого используется пропорционально-интегрирующий фильтр, отфильтровывает высокочастотные составля­ющие шума, пропуская медленно меняющееся напряжение с выхода ФД, обусловленное частотной и фазовой расстройкой сигнала про­межуточной частоты относительно колебания ОГ, Параметры ФНЧ выбраны таким образом, чтобы обеспечить минимальную результиру­ющую ошибку слежения за фазой и требуемую полосу захвата. С выхода ФНЧ, реализованного на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью, снимается управляющее напряже­ние  для подстройки частоты гетеродина. В качестве управ­ляющего элемента в ПГ используется варикап, включенный в контур гетеродина.

На переднюю панель макета выведены:

●    гнезда для подключения ГСС и измерительных приборов;

●    тумблер замыкания цепи обратной связи;

●    тумблер включения сети.

4. Программа экспериментальных исследований

1. Снять регулировочную характеристику  подстра­иваемого генератора при разомкнутой цепи обратной связи,

2. Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) тракта промежуточной частоты (ПЧ) при разомкнутой цепи обратной связи.

3. Снять амплитудную характеристику тракта промежуточной частоты разомкнутой системы ФАПЧ.

4. Снять дискриминационную характеристику ФД.

5. Исследовать зависимость частоты ПГ от частоты сигнала в режимах слежения, захвата и срыва слежения.

6. Определить установившуюся фазовую ошибку для несколь­ких значений частотной расстройки.

5. Содержание отчета

1. Функциональная схема лабораторного макета системы ФАПЧ.

2. Регулировочная характеристика  подстраиваемого генератора.

3. Амплитудно-частотная характеристика тракта ПЧ разомк­нутой системы.

4. Амплитудная характеристика тракта ПЧ.

5. Графики зависимости остаточной частотной расстройки  от начальной расстройки . Значения полосы захвата  и полосы удержания .

6. Значения установившейся ошибки слежения  для различных частотных расстроек .

7. Структурная схема системы ФАПЧ при линейной аппроксимации.

8. Анализ полученных экспериментальных результатов.

6. Контрольные вопросы

1. Принцип действия системы ФАПЧ.

2. Структурная схема линейной модели системы ФАПЧ и усло­вия ее применимости.

3. Дискриминационная характеристика ФД. Влияние ее формы на показатели качества системы ФАПЧ (точность, быстродействие, устойчивость, полоса захвата).

4. Регулировочная характеристика подстраиваемого генератора. Влияние ее формы на показатели качества системы ФАПЧ.

5. Передаточная функция разомкнутой и замкнутой системы ФАПЧ с пропорционально-интегрирующим фильтром. Влияние ПИФ на работу системы ФАПЧ.

6. Логарифмические частотные характеристики и запас устойчивости системы ФАПЧ с ПИФ.