№ 4755

621.396.62(07)

М 545

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЕЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

ЮЖНЫЙ

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В г. ТАГАНРОГЕ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра радиоприемных устройств и телевидения Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование системы частотной автоматической подстройки частоты по курсам Устройства приема и обработки сигналов, Радиоприемные устройства Для студентов дневной формы обучения и ФБФО радиотехнических специальностей РТФ Таганрог УДК 621.396.62.(07.07) Составители: В.С. Плаксиенко, Н.Е. Плаксиенко.

Руководство к лабораторной работе “Исследование системы частотной автоматической подстройки частоты”. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – 16 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения о системах частотной автоматической подстройки частоты, лабораторное задание и методику его выполнения, контрольные вопросы.

Предназначено для студентов радиотехнических специальностей, обучающихся по направлениям ”Радиотехника” и ”Телекоммуникации” при изучении дисциплин ”Устройства приема и обработки сигналов”, ”Радиоприемные устройства”, ”Прием и обработка сигналов”.

Табл. 1. Илл. 6. Библиогр.: 5 назв.

Рецензент В.И. Марчук, д-р техн. наук, профессор, зав.

кафедрой ”Радиоэлектронные системы” Южно-российского государственного университета экономики и сервиса.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является изучение способов построения систем частотной автоматической подстройки частоты (ЧАПЧ) и исследование их основных характеристик. Ознакомление с основными видами и принципиальными электрическими схемами различных видов систем ЧАПЧ. Освоение работы систем ЧАПЧ в составе радиоприемных устройств.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Система автоматической подстройки частоты (АПЧ) должна обеспечивать требуемую точность настройки приемника при воздействии на него дестабилизирующих факторов.

Источником частотной нестабильности приемника является гетеродин. Случайные изменения частоты гетеродина приводят к изменениям промежуточной частоты f пр.

В супергетеродинном приемнике должно выполняться равенство номинальных (расчетных) значений промежуточной частоты f пр0 и частоты настройки фильтров УПЧ f 00. При соблюдении этого условия изменения спектра сигнала оказываются минимальными, так как все его составляющие располагаются в пределах полосы пропускания П тракта УПЧ. В реальной ситуации текущие значения f Г, f С и f 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 f С может изменяться вследствие эффекта Доплера.

В результате между f пр и ± f Г, ± f С и ± f пр 0, а также между f и f 00 возникают расстройки: f пр, f 0. Как следствие, расходятся между собой и f пр и f 0. Если расстройки настолько велики, что значительная часть боковой полосы спектра сигнала оказывается вне полосы пропускания приемника П, то это приводит к существенным линейным искажениям принятого сообщения.

Устранение расстройки воздействием на f Г, либо на f 0, так как f С 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 f 0 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 ( f с > 30 МГц), с повышением помехозащищенности, а также с улучшением эксплуатационных показателей аппаратуры повысилась актуальность автоматизации процесса АПЧ гетеродина. Были разработаны специальные радиотехнические устройства, получившие по своему первоначальному предназначению наименование систем АПЧ. Последние являются одной из разновидностей обширного класса систем автоматического регулирования (САР).

Для осуществления АПЧ в приемник вводятся специальные цепи, структурная схема которых приведена на рис.2.1 [1-3], где ИЭ – измерительный элемент;

Ф – фильтр (обычно нижних частот);

РЧ – регулятор частоты;

ПГ – перестраиваемый генератор (гетеродин).

ИЭ Ф РЧ ПГ

В зависимости от вида измерительного элемента различают следующие системы:

– частотной автоматической подстройки частоты (ЧАПЧ), где в качестве ИЭ используется частотный детектор (дискриминатор) ЧД [4], который оценивает отклонение частоты напряжения на входе цепи АПЧ от задаваемого эталонного значения:

– фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), где в качестве ИЭ используется фазовый детектор ФД, оценивающий отклонение фазы напряжения на входе цепи АПЧ от фазы эталонного (опорного) напряжения.

В системе ЧАПЧ обычно 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.

Обычно частота, при которой характеристика ЧД проходит через 0, соответствует настройке УПЧ. При "уходе" частоты гетеродина f Г изменяется значение f пр, а на выходе ЧД вырабатывается напряжение соответствующего знака и величины.

Задача ФНЧ (как и в системе АРУ) – подавить "продукты" частоты модуляции.

Функциональная схема системы ЧАПЧ приведена на рис. 2.2.

УПТ ФНЧ ЧД

На схеме: УРЧ – усилитель радиочастоты; См – смеситель; УПЧ – усилитель промежуточной частоты (обычно избирательный); ФНЧ – фильтр нижних частот; УПТ – усилитель постоянного тока. См и УПЧ входят в линейный тракт приемника.

Изменения частоты принимаемого сигнала f с ( t ) (задающего воздействия) должны отслеживаться регулируемой (выходной) величиной f Г ( t ) с тем, чтобы разность между ними в любой момент времени была возможно более близкой к f пр. Этот эффект достигается благодаря сравнению в ЧД мгновенного значения частоты f пр (t) с внутренним параметром частотного детектора – переходной частотой fД. Сигнал ошибки U ЧД (t) после прохождения через ФНЧ и усиления в У преобразуется в управляющее напряжение U рег, приложенное к регулятору частоты РЧ. Под воздействием U рег частота f г ( t ) изменяется на f под в сторону уменьшения рассогласования между f с ( t ) и f г ( t ). Обычно РЧ входит в колебательный контур автогенератора-гетеродина (ПГ), поэтому часто РЧ и ПГ обычно объединены в одно звено. Для того чтобы управляющее напряжение, подводимое от ЧД, подстраивало, а не расстраивало частоту, характеристики РЧ и ЧД (управляющей цепи) должны быть согласованы, как показано на рис. 2.3.

Абсолютный уход преобразованной частоты должен быть равен остаточной расстройке гетеродина, т. е. для осуществления АПЧ крутизна характеристики ЧД и крутизна характеристики РЧ должны иметь противоположные знаки.

Пусть из-за дестабилизирующих факторов частота Г, равная f г, изменилась на величину, равную f нач. После срабатывания системы ЧАПЧ происходит подстройка гетеродина, в результате чего его расстройка уменьшается на f под.

В установившемся режиме где f ост – остаточная расстройка гетеродина после установления процессов в системе ЧАПЧ.

Расстройка f ост на выходе УПЧ вызывает появление напряжения на выходе ЧД. Если характеристика ЧД линейна и имеет крутизну SЧД,то После фильтрации с коэффициентом передачи по постоянному току Кф получаем С помощью напряжения U рег производится подстройка частоты гетеродина. Если характеристика РЧ линейна и ее крутизна равна Sрег, то Учитывая, что f ост f нач f под, получаем Таким образом, выражение (2.4) показывает, что цепь ЧАПЧ уменьшает f нач в несколько раз. Отношение расстройки преобразованной частоты при разомкнутом кольце ЧАПЧ f нач к той коэффициентом подстройки ЧАПЧ:

В реальных цепях ЧАПЧ величина KАПЧ ~ 2050.

Если К АПЧ < 1, то расстройка при замыкании кольца ЧАПЧ возрастает, т. е. система неустойчива. Исследование знака произведения SрегSЧД в широкой области расстроек позволяет определить область устойчивой и эффективной работы системы.

Важной характеристикой системы ЧАПЧ является зависимость f ост от f нач. Зависимость f ост = F(f нач ) называют характеристикой регулирования (рис. 2.4).

Если система ЧАПЧ отсутствует, то К АПЧ = 1, f ост = f нач.

Если система ЧАПЧ работает, то при отклонении частоты f Г от номинального значения растет f нач, следом увеличивается f ост, однако на начальном участке характеристики оа (оа') отклонение f ост невелико по сравнению с вызывающим его изменением частоты f нач Цепь ЧАПЧ работает, пока отклонение частоты f ост не превышает значения f ЧД, определяемого рабочим участком характеристики ЧД:

При увеличении расстройки отклонение частоты f ост выходит за пределы рабочего участка ЧД, напряжение на выходе ЧД падает до нуля. Система скачкообразно переходит в режим отсутствия ЧАПЧ ( К АПЧ = 1 ). На рис. 2.4 этому состоянию системы соответствует скачок характеристики из точки а(а') в точку b(b'), далее она пойдет по участку bc (b`c`).

При обратном ходе процесса вначале частота f нач находится далеко за пределами характеристики ЧД, и поэтому нет воздействия на РЧ, так как U ЧД = 0. На выходе ЧД появится заметное напряжение в точке d (d') (см. рис. 2.4), которое уменьшит частоту гетеродина, вызовет напряжение U рег и т. д. Точка d (d') неустойчива, поэтому и происходит ее перескок на участок оа (оа').

Характеристика ЧД имеет аналогичный вид при расстройке в другую сторону от точки 0.

На рис.2.4 можно выделить две характерные области частот для приемника с системой ЧАПЧ:

– полоса удержания П уд (от 0 до а, от 0 до а') – это полоса расстроек, в пределах которой система ЧАПЧ удерживает преобразованную частоту близкой к нужному, правильному значению и при выходе за которую система ЧАПЧ перестает работать;

– полоса захвата (схватывания) П зах (от 0 до d, от 0 до d') – это полоса расстроек частот, в пределах которой происходит восстановление системы ЧАПЧ.

Полоса захвата близка к полосе пропускания приемника. При введении преобразованной частоты сигнала в эту полосу происходит захват настройки приемника системой ЧАПЧ. Для цепи ЧАПЧ выполняется условие Изучите принцип работы систем ЧАПЧ. Зарисуйте структурную схему супергетеродинного приемника с системой ЧАПЧ. Изучите меню основных видов анализа электронных схем в среде MICROCAP, которые будут использоваться в ходе выполнения лабораторной работы (Transient Analyses, АС Analyses).

Проведите анализ предстоящей работы с использованием настоящего методического руководства.

4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

СИСТЕМЫ ЧАПЧ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ

4.1. Для проведения исследований примем за основу схему системы ЧАПЧ, представленную на рис. 2.2. Эта схема в соответствии с возможностями программы «MICROCAP 9» имеет вид, представленный на рис.4.1, где

СМ ФСС УПЧ

ГПН ГУН

У ФНЧ ЧД

ГПН – генератор пилообразного напряжения;

ГЧМС – генератор частотно-модулированных сигналов;

ГУН – генератор, управляемый напряжением;

ФСС – фильтр сосредоточенной селекции;

ИЧД – вспомогательный измерительный ЧД.

4.2. Создайте в программе «MICROCAP 9» модель установки для исследования системы ЧАПЧ, представленную на рис.4.1.

Пример такой схемы с указанием параметров макросов элементов приведен на рис. 4.2, где:

Х1 – генератор ЧМ-сигнала;

V3 – генератор пилообразного напряжения (ГПН);

Х5 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);

Х6, Х7, Х8, Х37 – амплитудные ограничители (АО), Х2, Х4, Х13, Х32, Х37, Х40 – усилители;

Х16, Х38 – перемножители;

Х44 – ФСС (активный фильтр Баттерворта с полосами SB = 300 кГц и PB = 250 кГц); Х9 – вычитающее устройство;

Х32 - ключ; собранный на усилителе;

Х2, Х3, Х6, Х37, Х38, С13, С14, R1, R2, R 3, R4, R5 – элементы, на которых собран измерительный квадратурный ЧД;

Х7, Х8, Х9, L1, L6, С6, С11, R81, R82 – элементы, на которых собран балансный ЧД системы ЧАПЧ (ИЭ).

На вход генератора ЧМС Х1 поступает пилообразное напряжение, которое изменяет частоту генератора ЧМ-сигнала по линейному закону на KF = ± 50 кГц, средняя частота F0 = 655 кГц, что необходимо для получения статической детекторной характеристики ЧД и для исследования системы ЧАПЧ.

Сигнал ошибки U ЧД (t) с выхода ЧД после прохождения через ФНЧ (R8С3) преобразуется в управляющее напряжение U рег, приложенное к ГУН (Х5).

Под воздействием U рег частота ГУН изменяется на f под в сторону уменьшения рассогласования между f с ( t ) и f г (t ).

На выходе ФНЧ измерительного квадратурного частотного детектора (точка 23) формируется зависимость изменения промежуточной частоты на выходе смесителя, т.е. можно сформировать зависимость остаточной расстройки fост в системе ЧАПЧ от исходной расстройки f нач частоты на входе (основная характеристика системы ЧАПЧ).

4.3. Получите и зарисуйте статическую детекторную характеристику ЧД (точка 6). Определите размах (раствор) детекторной характеристики ПД и значение частоты, при которой она переходит через 0.

Рис. 4. Для исследования статической детекторной характеристики ЧД необходимо:

– разомкнуть обратную связь в схеме, установив коэффициент усиления в ключевом элементе (усилителе Х32) равным (размыкаются выход ФНЧ – точка 6 и вход ГУН – точка 9);

– сигнал U ЧД (t) снимать с выхода ЧД после ФНЧ (точка 6);

– для получения статической детекторной характеристики необходимо запустить анализ переходных процессов Transient Analyses (Alt+1).

Следует учесть, что на входе схемы частота изменяется на величину KF = ± 50 кГц относительно частоты F0= 465 кГц. Поэтому по горизонтальной оси расстояние от середины графика составляет 50 кГц в каждую сторону (при необходимости следует подстроить ЧД, изменяя параметры контуров).

4.4. Определите полосу захвата и полосу удержания системы ЧАПЧ, получив и зарисовав для этого характеристику регулирования.

Для этого необходимо:

– подсоединить в схеме выход ФНЧ (точка 6) к управляющему входу ГУН (точка 9) путем установки значения коэффициента усиления в усилителе Х32 равным 1;

– установить у генератора пилообразного напряжения V3 диапазон изменения напряжения от –1В до +1В и значение девиации частоты KF=±50 кГц. При этом частота генератора ГУН (Х1) будет изменяться по линейному закону от значения 415 кГц до значения 515 кГц. В установленных пределах изменения частоты система войдет в состояние синхронизма и выйдет из него;

– сигнал снимать в точке 6 с выхода ФНЧ ( U рег );

– для получения характеристики регулирования необходимо запустить режим анализа переходных процессов Transient Analyses (Alt+1) и снять зависимость изменения управляющего напряжения ГУН от частоты.

4.4.1. Измерьте частоту f1 на характеристике регулирования, при которой ГУН войдет в состояние синхронизма (по скачку управляющего напряжения). Запишите значение частоты f1.

Вычислите полосу захвата, используя формулу Fо – f1= fзахв., где Fо – частота перехода через 0 характеристики ЧД.

4.4.2. Измерьте частоту f2, при которой ГУН выйдет из состояния синхронизма (по обратному скачку управляющего напряжения на характеристике регулирования). Запишите значение частоты f 2.

4.4.3. Используя формулу f2 – Fо = fуд, вычислите полосу удержания.

4.4.4. Установите у генератора пилообразного напряжения (V3) диапазон изменения напряжения от +1В до –1В. При этом частота генератора ЧМ сигнала (Х1) плавно уменьшается от значения 515 кГц до значения 415 кГц.

Для получения характеристики регулирования необходимо запустить режим анализа переходных процессов Transient Analyses (Alt+1).

4.4.5. Измерьте частоту f3 на характеристике регулирования, при которой ГУН войдет в состояние синхронизма. Запишите значение частоты f 3.

4.4.6. Вычислите полосу захвата, используя формулу f3 – F0 = fзахв.. Запишите результат.

4.4.7. Измерьте частоту f 4 на характеристике регулирования, при которой ГУН выйдет из синхронизма. Запишите значение частоты f 4.

4.4.8. Используя формулу F0 – f4= fуд, вычислите полосу удержания частоты и запишите результаты вычислений.

Объясните полученные результаты.

4.4.9. По заданию преподавателя проведите исследования с применением различных схем ЧД [4].

1.Цель работы.

2.Схемы для исследований.

3.Задания для лабораторной работы, полученные результаты, объяснение полученных результатов.

4.Выводы по проделанной работе.

1. Назначение системы ЧАПЧ.

2. Основные параметры системы ЧАПЧ.

3. Основные характеристики системы ЧАПЧ.

4. Структурная схема и назначение элементов цепи ЧАПЧ 5. Что общего между ЧАПЧ и ФАПЧ и чем отличаются эти системы 6. Расскажите принцип работы системы ЧАПЧ.

7. От чего зависит величина полосы удержания системы ЧАПЧ?

8. Какова структурная схема приёмника с системой ЧАПЧ?

9. Назовите режимы работы системы ЧАПЧ и показатели, которыми эти режимы характеризуются.

1. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/ Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, В.С. Плаксиенко и др.; Под ред. Н.Н. Фомина. – М.: Радио и связь, 2003. – 520 с.

2. Плаксиенко В.С. Устройства приема и обработки сигналов.

Учебн. пособие. Ч.2. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. – 112 с.

3. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е. Устройства приема и обработки сигналов: Учебн. пособие. Ч.3. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. – 52 с.

4. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е., Плаксиенко С.В.

Устройства приема и обработки сигналов: Учебн. пособие. – М.:

Учебная литература, 2004. – 376 с.

5. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е. Методические указания по выполнению лабораторной работы ”Исследование частотных детекторов. ” – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2010. – 44 с. №4613.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель работы………………………………..…………….….….... 2. Краткие теоретические сведения…………..……...…….….…. 3. Домашнее задание …………………………..………….…...…. 4. Лабораторное задание по исследованию системы ЧАПЧ с помощью программы “MICROCAP”……………………....…... 5. Содержание отчета …………………………..…….……….… 6. Контрольные вопросы……………………..…….…………..… Библиографический список..………...………………………...…. Плаксиенко Владимир Сергеевич Методические указания по выполнению ”Исследование системы частотной автоматической Для студентов дневной формы обучения и ФБФО радиотехнических специальностей Ответственный за выпуск Плаксиенко В.С.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. п.л. – 1. Уч.-изд. л. 0,9.

Издательство Технологического института Южного федерального университета ГСП 17А, Таганрог,25, Некрасовский, Типография Технологического института Южного федерального университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса,