Радиоавтоматика: основы теории и принципы построения автоматических систем, страница 10

В установившемся режиме на обоих входах импульсно-фазового дискриминатора (ИФД) действуют импульсные последовательности с равной частотой следования F₀ импульсов. Частота выходного сигнала синтезатора (частота подстраиваемого генератора) определяется коэффициентом деления N счётчика (делитель с переменным коэффициентом деления) как f_г=NF₀. Управляя коэффициентом деления посредством кода, вводимого в ДПКД с пульта управления или от микро-ЭВМ, формируют сетку высокостабильных колебаний с шагом F₀ (стабильность обусловлена тем, что опорное колебание частоты F₀ формируется путём деления частоты колебания кварцевого генератора).

Полоса пропускания ФНЧ выбирается из условия Df_ф<F₀. В противном случае в спектре выходного сигнала синтезатора появятся побочные спектральные составляющие, обусловленные частотной модуляцией колебания подстраиваемого генератора частотой сравнения F₀. В то же время ФНЧ должен иметь достаточную полосу пропускания для того, чтобы система ФАПЧ могла компенсировать флуктуации частоты подстраиваемого генератора. Это обстоятельство ограничивает минимально возможный шаг перестройки F₀ синтезатора. Для уменьшения шага перестройки используют более сложные (многоконтурные) синтезаторы частот.

Диапазон перестройки синтезатора определяется полосой захвата системы ФАПЧ.

          Использование системы ФАПЧ в фазовых системах радионавигации поясняется на рис. 4.9, на котором представлена функциональная схема бортового приемоиндикатора, определяющего координаты подвижного объекта (самолета, корабля и прочее).

Рис.4.9

На вход приёмоиндикатора поступают сигналы от трёх наземных станций (радиомаяков), работающих в режиме временного разделения (все станции излучают колебание одной частоты поочерёдно). Одна из станций (ведущая) синхронизирует другие (ведомые) станции, так что начальные фазы всех излучающих станций одинаковы. Приёмник представляет собой селективный усилитель (СУ), настроенный на частоту принимаемых сигналов. Разделение сигналов производится с помощью ключей (Кл), управляемых системой синхронизации (СС). Для слежения за фазой каждого сигнала используется своя система ФАПЧ. Цифровой фазометр (ЦФМ) измеряет фазовые сдвиги сигналов двух ведомых станций относительно сигнала ведущей станции и преобразует их в цифровые коды, вводимые в микроЭВМ. Последняя решает навигационные уравнения на основе измеренных радионавигационных параметров (фазовых сдвигов), известных координат наземных станций, параметров движения объекта (скорости, высоты) и других данных, в результате чего выдаёт информацию о координатах объекта (долготе, широте) на пульт отображения информации (ПОИ).

Пример применения систем ФАПЧ в фазовом пеленгаторе иллюстрируется рис. 4.10. Принятый сигнал поступает на две разнесённые ненаправленные антенны. В каждом канале используется отдельный приёмник с общим гетеродином и своя система ФАПЧ, отслеживающая фазу принятого на данную антенну сигнала. Благодаря тому, что расстояния от источника излучения (радиомаяка) до каждой антенны неодинаковы, фазовые сдвиги сигналов различаются (равенство имеет место при приёме с направления, перпендикулярного базе, то есть линии, соединяющей обе антенны). Относительный фазовый сдвиг сигналов, однозначно связанный с измеряемой угловой координатой (пеленгом), измеряется цифровым фазометром, преобразуется в цифровой код и пересчитывается с помощью микроЭВМ в пеленг.

Рис. 4.10

Составим структурную схему системы ФАПЧ, обратившись к типовой системе (самой простой). Полагаем, что фазовый дискриминатор и подстраиваемый генератор являются безынерционными звеньями. Такое предположение оправдано, поскольку полоса пропускания системы ФАПЧ определяется, главным образом, частотой среза фильтра нижних частот.

Для фазовой ошибки (фазового рассогласования) можем записать

,                                          (4.1)

где – полные фазы сигнала и колебания подстраиваемого генератора.

Выходное напряжение фазового дискриминатора представим в виде

                                         .                                      (4.2)

Первая составляющая в (4.2) определяет постоянное (медленно меняющееся) напряжение, обусловленное действием сигнала, а вторая – описывает помеху (продукт взаимодействия входного шума и сигнала), характеристики которой в общем случае зависят от фазовой ошибки.

Типичные зависимости U(j) – дискриминационные характеристики, представлены на рис. 4.11. Характеристики (рис. 4.11, а и 4.11, б) соответствуют дискриминаторам непрерывных (аналоговых) систем, а характеристика (рис. 4.11, в) – цифровой системе (бинарное квантование сигнала ошибки).

Формирование управляющего напряжения описывается дифференциальным уравнением

U_у(t)= К_ф(р)U_д(t),                                 (4.3)

где K_Ф(p) – передаточная функция ФНЧ.

Рис. 4.11

Процесс управления частотой подстраиваемого генератора, как и в системе АПЧ, может быть описан уравнением

                    f_г(t)=f_г0 + k_гU_у(t)                                               (4.4)

при условии, что частота f_г изменяется в пределах линейного участка регулировочной характеристики (рис. 3.3).

Так как в фазовом дискриминаторе сигнал и колебание ПГ сравниваются по фазе, то необходимо перейти от частоты w_г к фазе   

.                             (4.5)

Уравнение (4.5) описывает интегрирующее звено с коэффициентом передачи 2p рад/с ^–1 (начальная фаза j_г0 опущена, так как система входит в режим слежения независимо от значений j_г0 и j_с0).

Объединяя выражения (4.1) – (4.5), запишем дифференциальное уравнение системы ФАПЧ (в операторной форме):

.                       (4.6)

Уравнению (4.6) соответствует структурная схема (рис. 4.12, а).

Рис. 4.12

Данная схема не учитывает нестабильность частоты f_г (учёт нестабильности производится добавлением случайной величины df_г к значению f_г0).