«УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ Рекомендовано Сибирским региональным отделением УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области радиотехники, электроники, ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УСТРОЙСТВА ПРИЕМА

И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Рекомендовано Сибирским региональным отделением УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области радиотехники, электроники,

биомедицинской техники и автоматизации для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов укрупненной группы 210000 – «Электронная техника, радиотехника и связь» (напр. подг. магистров 210200 «Радиотехника) Красноярск

ИПЦ СФУ

УДК 621.396.62(07) ББК 32. У Рецензенты: Е. Н. Морозов, начальник отдела проектирования радиоприемных устройств ГУП НПП «Радиосвязь»;

А. А. Соловьев, канд. техн. наук, профессор кафедры радиоэлектронных средств факультета радиотехники и телекоммуникаций СПбГЭТУ У82 Устройства приема и обработки сигналов: Учеб. пособие. 4-е изд., перераб. и доп. / Под ред. С.Б. Макарова и С.А. Подлесного. Красноярск:

ИПЦ СФУ, 2007. 164 с.

Авторы:

Ю. В. Ветров В. В. Исаев А.С Груздев С. Б. Макаров С.В. Волвенко С. А. Подлесный Ф. В. Зандер А. М. Уланов А. А. Шипицын Изложены теоретические сведения об отдельных функциональных узлах устройств приема и обработки сигналов, а также системах автоматического регулирования. Дана методика выполнения лабораторных работ с использованием лабораторных установок, разработанных в соответствии с рекомендованной программой дисциплины. Приведены лабораторные работы по курсу «Устройства приема и обработки сигналов»: «Входные цепи», «Усилители радиосигналов», «Преобразователи частоты», «Частотные детекторы», «Амплитудные детекторы», «Частотная автоподстройка частоты», «Фазовая автоподстройка частоты» и «Автоматическая регулировка усиления».

Предназначено для студентов укрупненной группы направления подготовки специалистов 210000 – «Электронная техника, радиотехника и связь» (напр. подг. магистров 210200 «Радиотехника).

Учебное пособие подготовлено в рамках выполнения инновационной образовательной программы по направлению «Информатизация и автоматизированные системы управления», реализуемой в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.

УДК 621.396.62(07) ББК 32. © СФУ, ISBN 5-7636-0653- © Коллектив авторов, Редактор Л. И. Злобина Гигиенический сертификат № 24.49.04.953.П.000338.05.01 от 25.05.2001 г.

Подп. в печать -. Формат 60х84/16. Бумага тип. № 1. Офсетная печать.

Усл. печ. л. 7,0. Уч.-изд. л. 6,0. Тираж 300 экз. Заказ С Отпечатано в ИПЦ СФУ 660074, Красноярск, ул. Киренского,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие подготовлено коллективом авторов СанктПетербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ) и Политехнического института Сибирского Федерального университета и продолжает ряд выпускаемых Издательско-полиграфическим центром учебных пособий для радиотехнических специальностей вузов по базовой дисциплине «Устройства приёма и обработки сигналов». В пособии приведен теоретический материал по основам и принципам построения различного рода устройств приёма и обработки сигналов, даны указания и рекомендации по выполнению экспериментальных исследований и схемотехническому моделированию. Порядок выполнения лабораторного практикума по данной дисциплине дополнен отсутствовавшим в предыдущих изданиях моделированием основных функциональных узлов с помощью демоверсии системы схемотехнического моделирования OrCAD 9. [www.cadence.com/products/orcad/index.aspx].

Ответственные редакторы проф. С. Б. Макаров и проф. С. А. Подлесный.

Замечания и предложения по содержанию настоящего учебного пособия просьба направлять в Санкт-Петербургский государственный политехнический университет по адресам: [email protected], [email protected] или в Политехнический институт СФУ по адресу: [email protected].

ВВЕДЕНИЕ

Содержание учебного пособия соответствует отдельным разделам программы дисциплины «Устройства приема и обработки сигналов», предусмотренных государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования для ряда направлений подготовки специалистов радиотехнического профиля. Предусматриваются экспериментальные исследования основных функциональных узлов устройств приема и обработки сигналов, а также их моделирование.

Пособие состоит из восьми глав. Каждая глава содержит теоретические сведения об основных принципах построения функциональных узлов устройств приема и обработки сигналов и практическую часть – описание лабораторных работ. Выполняемые работы направлены на закрепление материала основных разделов курса и формирование навыков экспериментального исследования и моделирования современных устройств приема и обработки сигналов.

Лабораторные установки, сведения о которых приведены в приложении, позволяют проводить лабораторные работы в автономном режиме с использованием встроенных измерительных приборов и источников питания.

При подготовке учебного пособия учтен опыт работы коллектива кафедр «Радиотехника и телекоммуникации» и «Радиоэлектронные средства защиты информации» радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного технического университета, а также преподавателей и специалистов кафедры «Радиотехника» Политехнического института Сибирского Федерального университета.

Предназначено для студентов укрупненной группы направления подготовки 210000 – «Электронная техника, радиотехника и связь» (напр. подг.

магистров 210200 «Радиотехника).

1. ВХОДНАЯ ЦЕПЬ Входной цепью (ВЦ) называется цепь устройств приема и обработки сигналов (УПОС), связывающая антенну с последующими каскадами, например, с усилителем радиосигналов или преобразователем частоты.

ВЦ предназначена для передачи энергии входного сигнала из антенны на вход последующих каскадов и предварительной фильтрации помех. Необходимость фильтрации обусловлена тем, что следующие за входной цепью каскады (усилитель радиосигналов или преобразователь частоты) содержат электронные приборы (транзисторы, интегральные микросхемы), обладающие нелинейными вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Наличие таких приборов приводит к появлению различных нелинейных эффектов, например, перекрестных искажений – переносу модуляции мешающего сигнала на полезный сигнал. Обычно входная цепь не имеет в своем составе источников энергии и может быть представлена в виде пассивного четырехполюсника.

Для входных цепей радиоприемных устройств супергетеродинного типа важное значение имеет ослабление приема сигналов на частоте зеркального канала fз и на промежуточной частоте fпч. Учитывая, что обычно частота зеркального канала fз = fc + 2fпч и мешающие сигналы на этой частоте не могут быть отфильтрованы в полосовом усилителе промежуточной частоты, они должны быть ослаблены с помощью входной цепи и избирательного усилителя радиосигналов.

Структурная схема входной цепи изображена на рис. 1.1, где EA – наводимая в приемной антенне ЭДС; ZА – внутреннее сопротивление антенны;

ИС – избирательная система (один или несколько резонаторов).

Входные цепи можно классифицировать по ряду признаков. Различают, например, следующие виды связи первого резонатора избирательной системы с антенной: непосредственная, емкостная (внутренняя и внешняя), трансформаторная, автотрансформаторная и комбинированная.

1.2. Основные характеристики входной цепи Коэффициент передачи по напряжению равен отношению напряжения сигнала на выходе входной цепи Uвых к ЭДС (EA), наведенной в антенне полем принимаемого полезного входного сигнала Резонансный коэффициент передачи (Ku0) – коэффициент передачи входной цепи при частоте, равной собственной частоте настройки избирательной системы. Для повышения чувствительности УПОС целесообразно выбирать входную цепь таким образом, чтобы резонансный коэффициент передачи оказывался возможно больше с учетом реализации заданной избирательности.

Частотная селективность характеризует уменьшение значения модуля коэффициента передачи |Ku( f )| при заданной расстройке по частоте по сравнению с его значением при резонансе Ku0 при |EA| = const:

Представление о частотной селективности входной цепи дает ее резонансная характеристика, которая позволяет определить избирательность входной цепи при произвольной частотной расстройке.

Полоса пропускания – ширина области частот вокруг собственной частоты контура f0 с допустимой неравномерностью коэффициента передачи.

Коэффициент перекрытия диапазона частот. Под перекрытием диапазона частот понимается возможность настройки входной цепи на любую частоту данного диапазона или поддиапазона при условии, что неравномерность коэффициента передачи находится в допустимых пределах. Отношение максимальной частоты диапазона fс max к минимальной fс min называется коэффициентом перекрытия диапазона: K Д = f c max f c min. При использовании в качестве регулировочного элемента конденсатора переменной емкости отношение максимального значения Cmax к минимальному значению Cmin этой емкости выразится как Сmax C min = K Д.

Зависимость основных характеристик от частоты настройки, т. е.

частотная зависимость резонансоного коэффициента передачи, избирательных свойств и коэффициента шума. Чем выше постоянство коэффициента передачи входных цепей УПОС, тем легче обеспечить постоянство чувствительности устройств приема и обработки сигналов.

1.3. Обобщенная эквивалентная схема одноконтурных входных цепей Количественные характеристики различных типов одноконтурных входных цепей могут быть получены из рассмотрения обобщенной эквивалентной схемы (рис. 1.2). В этой схеме комплексное сопротивление связи антенны с контуром Zсв = rсв + j xсв отнесено к антенной цепи. Тогда полное комплексное сопротивление всей антенной цепи где rА = rА + rсв ; x А = x А + xсв ; rА и rсв – активные составляющие: наводимой во входной цепи ЭДС, комплексного сопротивления связи антенны с контуром соответственно; xА и x св – реактивные составляющие: наводимой во входной цепи ЭДС, комплексного сопротивления связи антенны с контуром соответственно.

Полная выходная проводимость антенной цепи I А = E А Z А и выходной проводимостью YА.

Рис. 1.2. Обобщенная эквивалентная схема входной цепи Антенная цепь подключается к избирательной системе (контуру) через коэффициент включения p1 = U1/Uk, (где U1 и Uk – напряжения на входе контура и на конденсаторе C соответственно), характеризующий степень связи антенной цепи с контуром. Электронный прибор усилителя радиосигналов, подключенный к выходу контура, обладает входной проводимостью:

где G2 – активная, а b2 = C2 реактивная (емкостная) составляющие электронного прибора. Этот прибор подключается к контуру через коэффициент включения p2 = Uвых/Uk.

При настройке входной цепи на частоту с необходимо учитывать, что резонансная частота контура 0 определяется не только значениями индуктивности L и емкости C, а также в равной степени внешними по отношению к контуру реактивными проводимостями b1 и b2. Таким образом, эквивалентная емкость контура Аналогичной зависимостью будет определяться и эквивалентная проводимость Gэ контура:

Таким образом, схему на рис. 1.2 удобно заменить более простой эквивалентной схемой рис. 1.3.

На этом рисунке Резонансный коэффициент передачи Резонансный коэффициент передачи входной цепи Ku0 при заданных параметрах антенной цепи, контура и электронного прибора зависит от коэффициентов включения p1 и p2, которые являются вещественными и могут изменяться в пределах: 0 p1 1 и 0 p2 1. Коэффициент передачи в данных условиях определяется этими двумя переменными и, следовательно, его максимум может быть найден при совместном решении следующих двух уравнений:

Можно показать, что Ku0 будет иметь максимум при G1 G2 + g, когда p2 = 1 и Активная составляющая проводимости антенной цепи G1, как правило, значительно больше входной проводимости G2 в случае использования в качестве электронного прибора транзисторов или интегральных микросхем.

Поэтому при выполнении условия (1.10) обычно достигается максимальное значение резонансного коэффициента передачи.

Учитывая (1.2) и подставляя (1.10) в (1.8), получаем Полагая, что рассматриваемый контур является трансформатором сопротивлений, легко видеть, что, согласно (1.10), Это выражение является условием передачи максимальной мощности от генератора к нагрузке. Следовательно, подбор оптимального значения коэффициента p1 соответствует согласованию нагрузочной проводимости с кажущейся выходной проводимостью генератора тока.

Рассмотрим отношение резонансных коэффициентов передачи по напряжению: K u 0 K u 0 max. Согласно (1.8) и (1.12) имеем:

Обозначим p1/p1opt = а. Принимая во внимание, что rА Z А = G1, и учитывая (1.10), получаем:

Для режима передачи максимальной мощности от генератора к нагрузке оптимальная величина эквивалентной проводимости контура входной цепи, с учетом (1.10), определяется выражением Графики, иллюстрирующие зависимости (1.15) и (1.17), приведены на рис. 1.4. Из этих кривых видно, что в случае оптимальной связи антенны с контуром полоса пропускания входной цепи, пропорциональная Gэ, возрастает более чем в два раза по отношению к полосе пропускания ненагруженного контура. Увеличение связи выше оптимальной приводит к существенному увеличению полосы пропускания. Наоборот, при связи в два раза меньше оптимальной (а = 0,5) полоса пропускания всего на 25 % превышает полосу пропускания ненагруженного контура. Дальнейшее уменьшение связи практически незначительно улучшает избирательность входной цепи.

Следовательно, для обеспечения высокой избирательности и большого коэффициента передачи выбирают коэффициент a близким к значению 0.5, так как при этом коэффициент передачи составляет 80 % от максимального, а избирательность входной цепи мало отличается от избирательности ненагруженного контура.

В качестве элемента связи антенны с контуром во избежание дополнительных потерь обычно используются реактивные элементы. На рис. 1. представлены различные виды входных цепей, которые используются в диапазоне умеренно высоких частот:

• с внешнеемкостной (рис. 1.5, а);

• с внутриемкостной (рис. 1.5, б);

• с индуктивной трансформаторной (магнитной) (рис. 1.5, в);

• с комбинированной (трансформаторной и внешнеемкостной) (рис. 1.5, г);

• с автотрансформаторной связью (рис. 1.5, д).

Для эквивалентной схемы с внешнеемкостной связью (рис. 1.5, а):

Для схемы с индуктивной трансформаторной связью (рис. 1.5, в):

rсв = (rсв)L; xсв = Lсв; p1=M/L; p2 = 1, где (rсв)L – активное сопротивление катушки связи.

В схеме с автотрансформаторной связью как с антенной, так и с другими каскадами УПОС (рис. 1.5, д): rсв = 0; xсв = 0; p1=(L1+M)/L; p2 = 1, где M – взаимоиндуктивность между частями контурной катушки, на которые их делит точка подключения антенной цепи.

Типы входных цепей:

• одноконтурные перестраиваемые;

• многоконтурные (обычно двух, реже трехконтурные) перестраиваемые;

• на основе неперестраиваемых полосовых фильтров;

• на основе фильтров низких частот;

• на основе сложных цепей, содержащих в своем составе режекторные фильтры, избирательно подавляющие помехи на определенных частотах.

На рис. 1.6 в качестве примера приведена схема входной цепи с перестраиваемым двухконтурным полосовым фильтром (контур Lk1, C1, Cсв2 и контур Lk2, C2, Cсв2 связаны друг с другом двумя видами связей – внешнеемкостной Cсв1 и внутриемкостной Cсв2).

Коэффициент передачи по напряжению в общем случае зависит от частоты настройки входной цепи и, с учетом (1.8) и (1.2), может быть представлен в виде где Yэ = p12YА + Yk + p 2 Yвх, Yk – собственная проводимость ненагруженного контура.

Уравнение амплитудно-частотной характеристики колебательного контура:

где ( f ) = Q э ( f f 0 f 0 f ) – обобщенная расстройка контура; Qэ – эквивалентная добротность нагруженного контура.

С учетом (1.18) и (1.19), амплитудно-частотная характеристика входной цепи будет определяться выражением На частоте резонанса, когда f = fс = f0, очевидно, что (1.20) переходит в (1.8). Селективные свойства входной цепи будут определяться уравнением (1.19). В частности, подавление помехи на частоте зеркального канала fз = fс + 2fпч будет определяться выражением Как видно из (1.21), для увеличения степени подавления помехи на частоте зеркального канала необходимо увеличивать значение промежуточной частоты и добротность входного контура.

1.6. Одноконтурные входные цепи с переменной настройкой Устройства приема и обработки сигналов с переменной настройкой, как правило, содержат два-три контура, одновременно перестраиваемых, например, одним блоком конденсаторов переменной емкости. Так как контур входной цепи непосредственно связан с ненастраиваемой антенной цепью, то по сравнению с другими перестраиваемыми контурами он находится в особых условиях. К нему подключается различная по величине, в зависимости от частоты настройки, реактивная составляющая b1 полной проводимости антенной цепи (1.2).

Определим основные параметры одноконтурных входных цепей, которые наиболее часто применяются в диапазонных УПОС длинных, средних и коротких волн.

1.6.1. Входная цепь с внешнеемкостной связью с антенной В силу своей простоты внешнеемкостная связь находит широкое применение как в радиовещательных, так и в профессиональных радиоприемных устройствах. На рис. 1.7 приведена соответствующая ей эквивалентная схема.

Поскольку в диапазонных входных цепях из-за расстройки контура ненастроенной антенной невозможно применить сильную связь между антенной цепью и контуром, то в рассматриваемом случае конденсатор связи Cсв должен иметь небольшую емкость. Обычно величина его емкости изменяется от 10–20 до нескольких единиц пикофарад. Как правило, Cсв значительно меньше CА. При последовательном включении в цепь антенны конденсатора связи общая емкость антенной цепи уменьшается и равна а емкостное сопротивление цепи становится значительно больше индуктивного. В результате в диапазоне рабочих частот антенная цепь имеет емкостной характер, поэтому с большой точностью, особенно в диапазонах средних и длинных волн, можно пренебречь индуктивностью антенны LА и ее активным сопротивлением rА, т. е.

Таким образом, коэффициент включения антенной цепи Резонансный коэффициент передачи входной цепи при p2 = 1, с учетом (1.8) и того, что Gэ = 1/сLQэ, будет равен Эквивалентная емкость контура для случая его настройки конденсатором переменной емкости с некоторым приближением обратно пропорциональна квадрату частоты, а значение добротности в пределах диапазона сохраняется практически неизменным. Следовательно, коэффициент передачи Ku0 находится в прямой квадратичной зависимости от частоты настройки (рис. 1.8). Его величина определяется значениями емкости связи и эквивалентной добротностью входного контура Qэ.

В рассматриваемом случае антенная цепь представляет собой некоторую эквивалентную емкость, определяемую уравнением (1.25). Ее подключение к контуру входной цепи приводит к расстройке последнего. Полагая Cсв > 1,5.

1.6.2. Входная цепь с индуктивной связью контура с антенной В рассматриваемом случае (рис. 1.5, в) можно пренебречь активным сопротивлением антенны по сравнению с ее реактивным сопротивлением, так как в УПОС с переменной настройкой антенные цепи не настраиваются.

Кроме того, обычно LА fс max (режим укороченной антенны). Собственная резонансная частота антенной цепи больше максимальной частоты рабочего диапазона. В этом случае в соответствии с (1.30) значение Ku0 пропорционально f c2. Это объясняется следующим образом. Согласно (1.28) для данного случая в диапазоне рабочих частот полное сопротивление антенной цепи уменьшается обратно пропорционально частоте (рис. 1.9, а). Эквивалентная проводимость входного контура в диапазоне рабочих частот при g = const изменяется также обратно пропорционально частоте.

При fс min < fА < fс max. Полное сопротивление антенной цепи, согласно (1.28), имеет резко выраженный минимум на частоте fс = fА, соответствующий резонансным свойствам антенной цепи. На рис. 1.9, б представлена зависимость резонансного коэффициента передачи Ku0 от частоты. Неравномерность этой зависимости тем больше, чем меньше эквивалентное затухание антенной цепи.

При fА < fс min (режим удлиненной антенны). Согласно (1.28) полное сопротивление антенной цепи в диапазоне рабочих частот прямо пропорционально частоте. Это компенсирует обратную зависимость эквивалентной проводимости входного контура от частоты и позволяет получить высокую степень постоянства резонансного коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот (рис. 1.9, в). Указанное достоинство в полной мере реализовать достаточно трудно, так как режим удлиненной антенны обеспечивается при большой величине индуктивности Lсв, а ее увеличение приводит к снижению значения Ku0.

В режиме удлиненной антенны на частотах вблизи fс min наблюдается увеличение величины резонансного коэффициента передачи за счет приближения к частоте резонанса антенной цепи. При увеличении частоты fА от fА до fА2 растет величина резонансного коэффициента передачи (рис. 1.10) и вместе с тем возрастает степень его неравномерности, которую условно можно определить отношением H уд = K u 0 max K u 0 min при fс min fс fс max.

эмиттерного перехода и обратная проводимость коллекторного; gra – проводимость между выводами коллектора и эмиттера; SU – крутизна зависимого источника тока.

Пользуясь общими методами теории четырехполюсников и выражениями (2)–(6) можно найти для цепи на рис. 2.1 входную YBX, выходную YBЫX полные проводимости и коэффициент усиления по напряжению Ku = U2/U усилителя (рис. 2.2), нагруженного на входе сопротивлениями Z2 = 1/Y2 и подключенного к источнику с выходным сопротивлением Z1 = 1/Y1. Полная входная проводимость описывается выражением:

YBX= Y11-(Y12*Y21) / (Y22 + Y2) = (g11 + j cб’э) / (1 + j б)+ Y21*(g При стремлении к нулю, из (2.7) имеем:

Полная выходная проводимость определяется следующим образом:

Yвых = Y22 - (Y12*Y21) / (Y11 + Y1) = g22 + jY21 k /(1 + j б) + Y21*(g12 + При стремлении к нулю, из (2.9)получим:

Коэффициент усиления по напряжению усилителя, изображенного на рис. 2.2, вычисляется по формуле:

При стремлении к нулю, из (2.11) имеем:

Оценка значений параметров высокочастотных транзисторов показывает, что на частотах порядка единиц и десятков мегагерц б > g22 и можно пренебречь g22 (2.7)–(2.12). Учитывая, что diб/dUкэ | U =0 1/min, где min – минимально возможная частота паразитной амплитудной модуляции, можно обеспечить практически постоянное значение суммы U=(1)+U=(2) в (3.15). В отношении U=(2)/U=(1) этой же формулы числитель и знаменатель изменяются одинаково при колебаниях амплитуды входного сигнала. Указанные обстоятельства обеспечивают малую чувствительность дробного детектора к изменению величины входного сигнала вследствие паразитной амплитудной модуляции.

4.7. Лабораторная работа «Частотный детектор»

Цель лабораторной работы – экспериментальное исследование и моделирование процесса детектирования ЧМ-сигналов, выполняемого на основе:

• преобразования изменения частоты колебания в изменение амплитуды с последующим детектированием с помощью амплитудного детектора;

• преобразования изменения частоты колебания в изменение фазы с последующим детектированием с помощью амплитудного детектора.

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований процесса детектирования ЧМ-сигналов, выполняемого на основе:

• расстроенного контура и диодного детектора, • фазового детектора с одиночным контуром, • дробного частотного детектора.

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме использования внешних измерительных приборов.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 4.11. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы, на правом поле – цифробуквенный дисплей с кнопками управления.

Лабораторная установка включает в себя ЧМ-генератор и блок детекторов.

Частотно-модулированный генератор входного сигнала с амплитудой Uс формирует ЧМ-сигнал с регулируемым индексом модуляции и состоит:

• из генератора высокой частоты (ГВЧ) с регулируемой напряжением частотой генерации fc в диапазоне 2200–2900 кГц;

• генератора низкой частоты (ГНЧ) с регулируемыми: частотой в диапазоне 30 Гц – 15 кГц и амплитудой в пределах 0–750 мВ.

• модулятора, формирующего ЧМ-сигнал.

В блоке детекторов имеются детекторы, выполненные на основе:

• расстроенного контура и диодного детектора (тип 1);

• фазового детектора с одиночным контуром (тип 2);

• дробного частотного детектора (тип 3).

Панель ручного управления состоит из трех полей:

Поле «ГВЧ» – генератора высокочастотного сигнала UГ.

«ЧАСТОТА» – потенциометр, изменяющий напряжение смещения Uсм на варикапах управления частотой генератора.

Поле «ГНЧ» – генератора низкой частоты.

«ВКЛ» – включение ГНЧ;

«ЧАСТОТА» – потенциометр плавной регулировки частоты ГНЧ;

«» – кнопки переключения диапазонов («меньше», «больше»);

«АМПЛИТУДА» – потенциометр плавной регулировки амплитуды ГНЧ.

Поле «ДЕТЕКТОРЫ» – детекторов ЧМ-сигнала.

«ТИП» – кнопка переключения типа исследуемого детектора;

«ДОБРОТНОСТЬ» – переключение добротности контуров исследуемых детекторов.

«Q1» – кнопка включения резистора R1;

«Q2» – кнопка включения резистора R2.

Значения сопротивлений:

для детектора (тип 1) значение R1 = 5,6 кОм и R2 = 10 кОм;

для детектора (тип 2) значение R1 = 430 Ом и R2 = 1,2 кОм.

На задней стенке установки имеются контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение на выходе частотного детектора U, «Вых 2» – модулирующее напряжение Uвых, «Вых 3» – напряжение на входе частотного детектора Uс.

На цифробуквенном дисплее отображаются измеряемые величины и номер пункта работы. Под дисплеем расположены следующие кнопки:

«» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к концу;

«Т» – кнопка сброса контроллера управления.

Программа и порядок выполнения экспериментальных исследований Ознакомившись с описанием лабораторной установки и составив план проведения эксперимента, включить питание и саму установку нажатием кнопки «Вкл».

Все переключения производятся с помощью кнопок на передней панели установки, включенное состояние кнопки индицируется светодиодом. Измерения выполняются встроенными приборами под управлением микроконтроллера, а результаты измерений выводятся на цифробуквенный дисплей, расположенный на лицевой панели. Выбор измеряемых величин и подключение их к индикатору производятся кнопками выбора пункта лабораторной работы («»), расположенными вместе с кнопкой «сброс» («T») под цифробуквенным дисплеем.

Для выполнения лабораторной работы предлагаются следующие задания.

Задание 1. Измерение зависимости частоты сигнала на выходе ЧМгенератора от напряжения смещения Изменяя с помощью потенциометра «частота ГВЧ» напряжение смещения Uсм в пределах 1–12 В, получить зависимость fc = f (Uсм) при отсутствии модуляции (кнопка «ГНЧ» в положении «Выкл»). Результаты измерений занести в таблицу. Построить график зависимости fc = f (Uсм).

Задание 2. Измерение детекторной характеристики частотного детектора на основе расстроенного контура (тип 1) Цель: получить зависимость постоянной составляющей U= на нагрузке частотного детектора от изменения частоты сигнала в пределах 2200– кГц при отсутствии модуляции (кнопка «ГНЧ» в положении «Выкл»).

Порядок выполнения 1. Провести измерения для четырех величин добротности Q резонансного контура детектора:

1.1. Шунтирующие резисторы R1 и R2 (Q1 и Q2) отключены.

1.2. Подключен резистор R1 (Q1).

1.3. Подключен резистор R2 (Q2).

1.4. Подключены резисторы R1 и R2 (Q1 и Q2).

2. Результаты измерений занести в таблицы.

3. Определить среднюю fср частоту на максимально линейном участке детекторной характеристики (на возрастающем участке).

Задание 3. Измерение детекторной характеристики частотного детектора на основе фазового детектора (тип 2) Цель: получить зависимость постоянной составляющей U= на нагрузке частотного детектора от изменения частоты сигнала в пределах 2200– кГц при отсутствии модуляции (кнопка «ГНЧ» в положении «Выкл»).

Порядок выполнения 1. Провести измерения для четырех величин добротности резонансного контура детектора:

1.1. Шунтирующие резисторы R1 и R2 (Q1 и Q2) отключены.

1.2. Подключен резистор R1 (Q1).

1.3. Подключен резистор R2 (Q2).

1.4. Подключены резисторы R1 и R2 (Q1 и Q2).

2. Результаты измерений занести в таблицы.

3. Определить среднюю fср частоту линейного участка детекторной характеристики (U= = 0).

Задание 4. Измерение детекторной характеристики дробного частотного детектора (тип 3) Цель: получить зависимость постоянной составляющей U= на нагрузке частотного детектора от изменения частоты сигнала в пределах 2200– кГц при отсутствии модуляции (кнопка «ГНЧ» в положении «Выкл»).

Порядок выполнения 1. Провести измерения.

2. Результаты измерений занести в таблицы.

3. Построить график зависимости U= = f (fc).

4. Определить среднюю fср частоту линейного участка детекторной характеристики (U= = 0).

Задание 5. Измерение частотных характеристик детекторов Цель: определить частотные характеристики детекторов.

Порядок выполнения 1. При выключенном генераторе низкой частоты ГНЧ установить частоту генератора высокой частоты ГВЧ, равную fср.

2. Включить генератор низкой частоты ГНЧ. Установить уровень эффективного значения модулирующего сигнала равным UМ = 200 мВ.

3. Получить зависимость эффективного значения U на выходе частотного детектора от частоты модуляции FМ, изменяя частоту модуляции FМ в диапазоне 50 Гц – 15 кГц.

4. Провести измерения для трех типов детекторов.

Для детекторов типов 1 и 2 измерения провести при отключенных резисторах R1 и R2 (Q1 и Q2). Результаты измерений занести в таблицы.

Задание 6. Исследование зависимости коэффициентов передачи детекторов от уровня модулирующего сигнала Цель: получить зависимость эффективного значения напряжения U на выходе частотного детектора от эффективного значения напряжения UМ на модуляционном входе частотного модулятора (выходе ГНЧ).

Порядок выполнения 1. При выключенном генераторе низкой частоты ГНЧ установить частоту генератора высокой частоты ГВЧ, равную fср.

2. Включить генератор низкой частоты ГНЧ.

3. Установить значение FМ 1 кГц.

4. Провести измерения для трех типов детекторов, изменяя UМ в пределах 0–750 мВ.

Для детекторов типов 1 и 2 измерения выполнить при отключенных резисторах R1 и R2 (Q1 и Q2). Результаты измерений занести в таблицы.

1. Освоение и закрепление навыков моделирования реальных аналоговых узлов УПиОС.

2. Сравнение результатов компьютерного моделирования с результатами выполнения лабораторной работы на специализированном учебном стенде в условиях полной идентичности исходных данных и объектов моделирования.

3. Иллюстрация более широких возможностей моделирования по сравнению с экспериментальным исследованием учебного стенда путем задания преподавателем других исходных данных, не идентичных лабораторному стенду, но важных для практической работы.

1. Составить описание конкретной модели частотного детектора (на расстроенном контуре и амплитудном детекторе, на основе аналогового перемножителя, на детекторе отношений (дробный детектор) и т. д.) в терминах и обозначениях, принятых в пакете OrCAD [6].

2. Задать исходные данные (амплитуда и частота входного сигнала и их возможные диапазоны изменений).

3. Задать требуемые выходные характеристики (зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты, амплитуды входного сигнала, спектр сигнала на выходе и т. д.).

4. Выполнить задания (запуск программы, получение, проверка и корректировка результатов, копирование результатов в отчет по лабораторной работе).

5. Проанализировать полученные результаты (сравнить с данными экспериментального исследования аналогичных частотных детекторов, сравнить полученные характеристики детекторов между собой с формулированием вывода о достоинствах и недостатках каждого и т. д.).

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Схемы исследуемых частотных детекторов.

3. Результаты измерений для трех типов частотных детекторов.

• Таблицы с результатами измерений и экспериментальные зависимости для модуляционной характеристики ЧМ генератора (задание 1).

• Таблицы с результатами измерений и экспериментальные зависимости U= = f (fc) без модуляции для 4 случаев включения шунтирующих резисторов R1 и R2 (задания 2–4).

• Таблицы с результатами измерений частотных характеристик. Графики зависимостей U = f(FM) (задание 5).

• Таблицы с результатами измерений зависимостей U = f(UM) для трех типов детекторов (задание 6).

• Результаты расчета коэффициентов передачи детекторов по формуле где Uc = 0,5 В, fm – девиация частоты. Для определения девиации частоты fm использовать результаты задания 1. По средней частоте несущего колебания fср для каждого типа детектора определить по графику f с = f (U см ) значение Uсм, соответствующее этой частоте. Для каждого значения UM рассчитать максимальную частоту fmax, соответствующую максимальному смещению U см + 2U М, и вычислить f m по формуле f m = f max f ср.

4. Анализ полученных результатов.

• Объяснить характер зависимостей U= = f (fc) (задания 2–4).

• Провести анализ частотных свойств детекторов (задание 5).

• Сравнить коэффициенты передачи различных типов детекторов (задание 6).

• Сравнить результаты экспериментальных исследований и моделирования.

1. Какие функции выполняют частотные детекторы? По каким признакам классифицируются такие детекторы и каковы их основные параметры?

2. Каковы принципы работы и схемы частотных детекторов?

3. Как рассчитывают коэффициент передачи частотного детектора?

4. Что происходит при совместном действии сигнала и шума на частотный детектор? Как проявляются пороговые свойства частотного детектора?

5. Какие искажения могут претерпевать сигналы в частотных детекторах? Какие меры предпринимать для уменьшения искажений?

6. Какова методика измерения детекторной характеристики частотного детектора?

7. Какова методика измерения частотных характеристик частотных детекторов?

8. Каковы принципы моделирования частотных детекторов? В чем преимущества и недостатки моделирования?

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

Амплитудным детектором (АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения огибающей входного амплитудно-модулированного сигнала.

Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов заключается в воспроизведении модулирующего сообщения x(t) с наименьшими искажениями. В аналитической форме АМ-сигнал имеет вид где ua(t) = Uc[1 + max(t)], ma 1 – коэффициент глубины модуляции; Uc – амплитуда несущего колебания с частотой c. Спектр сообщения x(t) сосредоточен в области низких частот (частот модуляции), а спектр сигнала uc(t) – в области частоты c, значение которой обычно намного превышает значение наивысшей частоты модуляции. Преобразование спектра при демодуляции возможно только в устройствах, выполняющих нелинейное или параметрическое преобразование входного сигнала uc(t).

При использовании нелинейного устройства, обладающего квадратичной вольт-амперной характеристикой, выходной ток имеет вид где В – постоянный коэффициент. После устранения фильтром низких частот (ФНЧ) составляющей с частотой 2c получим В этом токе содержится составляющая вида BU c2 ma x (t ), пропорциональная передаваемому сообщению, а также составляющая 0,5BU c2 ma x 2 (t ), которая определяет степень нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t).

Параметрическое преобразование осуществляется путем умножения uc(t) на опорное колебание, имеющее вид u0(t) = U0cos(ct). В этом случае результат перемножения определяется следующим выражением:

Составляющая с частотой 2c устраняется ФНЧ, и в результате формируется низкочастотный сигнал вида 0,5U0ua(t). Отделяя постоянную составляющую 0,5U0Uc, например, при помощи разделительного конденсатора, получаем сигнал вида 0,5U0Ucmax(t), форма которого определяется передаваемым сообщением x(t).

5.2. Основные характеристики и параметры амплитудного детектора Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей U= выходного напряжения от изменения амплитуды Uс немодулированного сигнала uc(t) = Uccos(ct). Уровень нелинейных искажений, имеющих место при детектировании, определяется видом детекторной характеристики. По детекторной характеристике можно определить диапазон изменения амплитуды ua(t) модулированного сигнала (5.1), при котором нелинейные искажения модулирующего сообщения x(t) не будут превышать определенного предела.

Крутизна детекторной характеристики определяется как производная:

является безразмерной величиной и по аналогии с показателями любого усилительного узла характеризует передаточные свойства детектора.

Коэффициент нелинейных искажений – численная мера нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t) при гармонической модуляции с частотой = 2F:

где Un – амплитуда колебания с частотой n на выходе амплитудного детектора.

Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется при гармонической модуляции с частотой отношением где U – амплитуда колебания с частотой на выходе амплитудного детектора.

Частотная характеристика является зависимостью коэффициента передачи амплитудного детектора от частоты модуляции k = f().

Коэффициент фильтрации амплитудного детектора задается отношением где U – амплитуда первой гармоники высокочастотного колебания на выходе амплитудного детектора.

5.3. Принцип действия и характеристики диодного детектора Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 5.1. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал uc(t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора Сн и резистора Rн, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание uвых(t).

Рис. 5.1. Принципиальная схема амплитудного диодного детектора Значение тока через диод ig для режима покоя uc(t) = 0 может быть найдено из уравнений:

где Ug – напряжение на диоде VD (см. рис. 5.1).

Первое уравнение – это уравнение вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ форма тока через диод ig при синусоидальной форме сигнала uc(t) не является синусоидальной. В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору Rн, создает падение напряжения U=, которое смещает положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки увеличивается и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам, открывающим диод при положительных значениях входного напряжения.

На рис. 4.2 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству Uc(1) < Uc(2). Тогда постоянные составляющие напряжений U=(1) < U=(2) и I=(1) < I=(2). На этом же рисунке условно изображена зависимость ig = f(t).

Рис. 5.2. Детектирование амплитудно-модулированных сигналов Вольт-амперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

где Iоб – абсолютное значение величины обратного тока диода; – температурный потенциал, равный 26 мВ при Т = 300. Полагая напряжение на диоде равным ug(t) = ua(t)cos(ct) – U=, подставляя ug(t) в (4.6) и раскладывая в ряд по функциям Бесселя Jk, получаем:

Выделим в (5.7) следующие компоненты токов:

постоянного переменного с частотой 2c и так далее.

Зависимость постоянной составляющей U= от амплитуды приложенного напряжения Uc дается детекторной характеристикой (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Детекторная характеристика диодного детектора Из (5.8) и (5.1) следует, что при x(t) = 0 детекторная характеристика может быть записана в виде Анализ выражения (5.9) позволяет сделать два основных вывода:

• с увеличением Rн возрастает крутизна детекторной характеристики;

• с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.

В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:

• детектирование «слабых» сигналов;

• детектирование «сильных» сигналов.

В режиме «слабых» сигналов, представив функцию J0(ua(t)/T) в виде ряда, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т. е.

и соответственно коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен Допустимое значение kн, например в системах радиовещания, не превышает нескольких процентов (kн 5 %), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольт-амперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью ig = f(Ug) (5.5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на аноде диода из-за значительной величины U=, т. е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда U c U = > 0. На рис. 5.4 показан угол отсечки тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2, происходит быстрый заряд конденсатора Cн (рис. 5.1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор Cн разряжается через резистор Rн.

Рис. 5.4. Форма выходного напряжения диодного детектора Полагая, что uc(t) = Uccosct, ток открытого диода определяется выражением где U = U c = cos – косинус угла отсечки, S – крутизна вольт-амперной характеристики на рабочем участке.

Интегрируя (5.12) на интервале [0,2], можно получить выражение для U= в виде Учитывая, что U = U c = cos, для малых значений угла получаем т. е. угол отсечки определяется лишь значениями S и Rн и не зависит от величины Uc.

Для амплитудно-модулированного сигнала имеем uвых(t) = cos Uc[1 + ma x(t)] = Uccos + maUc x(t)cos, (5.15) т. е., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором.

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

• Нелинейностью начального участка вольт-амперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0 Uc Uc(1) на рис. 5.2, необходимо выбирать значение Uc исходя из неравенства • Различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам. При использовании усилителя с входным сопротивлением RУНЧ (5–10)Rн и выборе величины емкости разделительного конденсатора Cp, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с RУНЧ из условия где min – минимальная частота модулирующего сигнала, этим видом нелинейных искажений можно пренебречь.

• Нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора Cн. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U= и ua(t). В моменты времени, когда ua(t) < U=, конденсатор Cн будет разряжаться через резистор Rн по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии где max – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора Cн выбирается из условия 1 0,1В» (светодиодный индикатор должен светиться) и провести измерения, изменяя значение Uc в интервале 0-180 мВ.

2. Результаты измерений занести в таблицы.

Задание 4. Измерение частотных характеристик детекторов Цель: снять частотные характеристики детекторов U = f(F).

Порядок выполнения 1. Измерить эффективное значение U низкой частоты на «закрытом»

(без постоянной составляющей) выходе, изменяя частоту модуляции F в диапазоне 30 Гц–15 кГц при постоянном значении амплитуды сигнала Uc = Const (коэффициент глубины модуляции должен быть постоянным и равным mа = 30 %).

2. Для диодного детектора (тип 1) поддерживать значение амплитуды Uc 1–1,5 В. Измерения проводить при сопротивлении нагрузки R1 для трех значений нагрузочного конденсатора: С1, С2, С1+С2.

3. Для транзисторного детектора (тип 2) поддерживать значение амплитуды Uc 10–15 мВ. Измерения проводить при сопротивлении нагрузки R1 для трех значений нагрузочного конденсатора: С1, С2, С1+С2.

4. Для синхронного детектора (тип 3) поддерживать значение амплитуды Uc 100 мВ.

5. Результаты измерений занести в таблицы.

Задание 5. Определение коэффициента передачи детекторов Цель: измерить зависимость коэффициента передачи для трех типов детекторов от величины эффективного значения напряжения входного сигнала k = U/(maUс) при фиксированных значениях коэффициента глубины модуляции ma = 30 % и частоты модуляции F 1 кГц.

Порядок выполнения 1. Для диодного детектора (тип 1) измерения проводить при нагрузке R1, C1, изменяя величину Uc в пределах 250 мВ – 2,0 В.

2. Для транзисторного детектора (тип 2) измерения проводить при нагрузке R1, C1, изменяя величину Uc в пределах 0–30 мВ.

3. Для синхронного детектора (тип 3) выполнить измерения в диапазоне изменения Uc 0–100 мВ.

4. Результаты измерений занести в таблицы.

1. Составить описание конкретной модели АД (диодного, транзисторного, синхронного) в терминах и обозначениях, принятых в пакете OrCAD [6].

2. Задать исходные данные (амплитуда и частота входного сигнала и их возможные диапазоны изменений).

3. Задать требуемые выходные характеристики (детекторные, частотные характеристики, коэффициента передачи и т. д.).

4. Выполнить задания (запуск программы, получение, проверка и корректировка результатов, копирование результатов в отчет по лабораторной работе).

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Схемы исследуемых амплитудных детекторов.

3. Результаты измерений для трех типов амплитудных детекторов.

• Таблицы с результатами измерений и графики экспериментальных зависимостей постоянной составляющей на выходе U= от эффективного значения Uc входного сигнала без модуляции.

Для диодного детектора (задание 1):

в режиме «слабых» сигналов при нагрузке R1, C1 и R2, C1;

в режиме «сильных» сигналов при нагрузке R1, C1 и R2, C1.

Для транзисторного детектора (задание 2): при нагрузке R1, C1 и R2, C1.

Для синхронного детектора (задание 3).

• Таблицы с результатами измерений частотной характеристики и графики экспериментальных зависимостей U = f(F) при фиксированных значениях амплитуды входного сигнала Uc и индекса модуляции mа = 30 %.

Для диодного детектора:

в режиме «сильных» сигналов для трех значений нагрузки: R1, C1; R1, C2; R1, (C1 + C2).

Для транзисторного детектора:

для трех значений нагрузки R1, C1; R1, C2; R1, (C1 +C2).

Для синхронного детектора.

• Таблицы с результатами измерений коэффициента передачи детекторов и экспериментальные зависимости k = f (Uc) при фиксированных значениях частоты модуляции F = 1 кГц и индекса модуляции mаm = 30 % в диапазоне изменения величины входного сигнала Uc.

Для диодного детектора: с нагрузкой R1, C1.

Для транзисторного детектора: с нагрузкой R1, C1.

Для синхронного детектора.

4. Анализ полученных результатов.

• Объяснить характер зависимостей U= = f (Uc) (задания 1–3).

• Провести анализ частотных свойств детекторов (задание 4).

• Сравнить коэффициенты передачи различных типов детекторов (задание 5).

6. Анализ полученных результатов моделирования (сравнение с данными экспериментального исследования аналогичных АД, сравнение полученных характеристик между собой с формулированием вывода о достоинствах и недостатках каждой схемы АД и т. д.).

1. Какие функции выполняют амплитудные детекторы? По каким признакам классифицируются такие детекторы и каковы их параметры?

2. Каковы принципы работы и схемы амплитудных детекторов? В чем их достоинства и недостатки? Какие особенности синхронных детекторов?

3. Как можно представить эквивалентную схему детектора? Как определить коэффициент передачи и входное сопротивление детектора на полупроводниковом диоде?

4. Какие искажения могут претерпевать сигналы в детекторах? Какие меры следует предпринимать для уменьшения искажений сигналов?

5. Какие процессы происходят при детектировании двух высокочастотных напряжений с различными частотами? Как определяется отношение сигнал/помеха на выходе детектора?

6. Что происходит при совместном действии сигнала и шума на амплитудный детектор? Как изменяется спектр сигнала и шума на выходе амплитудного детектора?

7. Какова методика измерения детекторной характеристики детектора?

8. Какова методика измерения частотных характеристик детекторов?

9. Какова методика измерения коэффициента передачи детектора?

10. Каковы принципы моделирования амплитудных детекторов? В чем преимущества и недостатки моделирования?

6. ЧАСТОТНАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ

Частотная автоподстройка частоты (ЧАПЧ) предназначена для обеспечения расположения спектра принимаемого входного сигнала в полосе пропускания усилительно-преобразовательного тракта устройств приёма и обработки сигналов (УПиОС). В супергетеродинных устройствах приема и обработки сигналов с помощью системы ЧАПЧ регулируется значение частоты f Г генератора, управляемого напряжением (гетеродина). Она поддерживает частоту выходного сигнала (промежуточную частоту) f ПЧ = f Г ± f С в допустимых пределах при случайных отклонениях f С и f Г частот входного сигнала f С и гетеродина f Г от номинальных значений.

Особенностью системы частотной автоподстройки частоты является наличие статической ошибки регулирования остаточной расстройки по частоте fпч ост, т. е. отличие частоты гетеродина от частоты, которая точно соответствует эталонному номинальному значению fг ном. Системе ЧАПЧ характерен широкий диапазон начальных расстроек, в котором она способна существенно снижать ошибку настройки частоты гетеродина.

6.2. Основные характеристики системы частотной автоподстройки • Полоса удержания, в пределах которой сиcтема ЧАПЧ «удерживает» промежуточную частоту близкой к номинальному значению f пч ном..

• Полоса втягивания, при попадании в которую преобразованной частоты сигнала, происходит «захват» системой ЧАПЧ частоты f пч, после чего значение этой частоты сохраняется близким к номинальному при отклонениях частоты входного сигнала fс в пределах полосы удержания.

• Время установления tУ, определяемое как время, прошедшее от начала процесса автоматической подстройки (t = 0), до момента достижения величины 1,1 f пч ост отстройки частоты.

• Постоянная времени системы ЧАПЧ, выбор которой определяется заданным быстродействием, отсутствием демодуляции ЧМ сигнала и условием устойчивости системы.

6.3. Принципы работы системы частотной автоподстройки частоты Основными элементами структурной схемы (рис. 6.1) [2] системы частотной автоподстройки частоты являются: частотный детектор ЧД, фильтр низкой частоты ФНЧ, усилитель У, генератор управляемый напряжением ГУН, смеситель См и усилитель промежуточной частоты УПЧ. На выходе частотного детектора формируется напряжение, которое определяется отклонением частоты на выходе УПЧ от номинального значения f ПЧ НОМ, при котором характеристика ЧД проходит через ноль (рис. 6.2). Это напряжение фильтруется с помощью ФНЧ, который определяет инерционные свойства системы ЧАПЧ и обеспечивает её устойчивость. Выходное напряжение фильтра низкой частоты усиливается с помощью усилителя и поступает на вход ГУН. Генератор, управляемый напряжением, изменяет частоту гетеродина таким образом, чтобы она подтягивалась к средней частоте частотного детектора fср = fпч ном, являющейся эталонной частотой. Представленная на рис.1 система ЧАПЧ поддерживает промежуточную частоту УПОС мало изменяющейся при уходах как частоты передатчика fс, так и частоты работы ГУН. При приёме аналоговых амплитудно-модулированных сигналов степень инерционности системы ЧАПЧ обусловлена только собственной устойчивостью системы ЧАПЧ и может быть весьма малой [2].

В системах частотной автоподстройки частоты используются частотные детекторы, имеющие детекторную характеристику, вид которой представлен на рис. 6.2. Такой зависимостью выходного напряжения Uчд от частоты обладают, например, частотные детекторы на расстроенных контурах, имеющие полосу частот Fчд.

Постоянная времени ФНЧ С определяет инерционные свойства и вид переходных процессов систем ЧАПЧ.

Усилитель У в петле обратной связи обеспечивает увеличение абсолютного значения крутизны S чд частотного детектора. Увеличение этого параметра пропорционально коэффициенту усиления Ku усилителя У. Последовательность соединения фильтра низкой частоты ФНЧ и усилителя У (рис.

6.1) в петле обратной связи может быть любым и определяется лишь конкретными условиями построения схемы системы ЧАПЧ.

Рис. 6.2. Детекторная характеристика частотного детектора В устройствах приема и обработки сигналов при приёме частотномодулированных сигналов допустимое быстродействие системы ЧАПЧ ограничено требованием отсутствия демодуляции этих сигналов [2]. Система ЧАПЧ в данном случае должна ослаблять медленные (паразитные) изменения промежуточной частоты, но не должна отслеживать изменения, определяемые частотной модуляцией принимаемого сигнала.

Каждая система ЧАПЧ обладает ограниченной областью начальных расстроек (отклонений) генерируемой ГУН частоты от номинального значения, в пределах которой она способна снижать ошибку настройки. При выходе начальной расстройки за пределы этой области система ЧАПЧ теряет свойства автоматической подстройки частоты.

6.4. Характеристики основных элементов системы ЧАПЧ Одним из основных элементов системы ЧАПЧ является частотный детектор (рис. 6.1). Важнейшими показателями детекторной характеристики ЧД (рис. 6.2) является крутизна SЧД =, и полоса частот частотного деdf тектора Fчд.

Существенное значение для работы системы ЧАПЧ при больших расстройках относительно fпч ном имеет также форма скатов детекторной характеристики.

Управление ГУН по частоте постоянным напряжением UУ(t) отображается регулировочной характеристикой f Г = f (U У ) (рис. 6.3). При анализе процессов в системе ЧАПЧ эта характеристика обычно линеаризуется в области напряжений U У U У U У и используется её основной параметр – крутизна Для снижения ошибки при автоматической подстройке частоты при выборе промежуточной частоты f ПЧ = f Г f С необходимо, чтобы знаки SЧД и S Г были бы противоположны, т.е. S ЧД S Г < 0 [2]. Изменение частоты ГУН происходит в области полосы частот FГ работы генератора, управляемого напряжением, при среднем значении частоты генератора fг = fг ном.

Фильтры низкой частоты первого и второго порядков обычно строятся на основе RC-звеньев.

Рис. 6.3. Регулировочная характеристика генератора, управляемого напряжением Основной задачей анализа работы системы ЧАПЧ является получение соотношений, описывающих поведение во времени частоты на выходе усилителя промежуточной частоты (рис. 6.1).Теоретический анализ процессов в системе ЧАПЧ проведем для фильтра низкой частоты (рис. 6.1) первого порядка при линеаризованных характеристиках частотного детектора в полосе FГ (рис. 6.2) и регулировочной характеристики генератора, управляемого напряжения, в полосе f Г (рис. 6.3). При этом будем пренебрегать инерционностью УПЧ и использовать лишь статические характеристики (рис. 6.2 и рис. 6.3) частотного детектора и генератора, управляемого напряжением, без учёта переходных процессов в этих установках.

Основное уравнение для частот в тракте, приведенном на рис. 6.1 имеет вид:

Тогда, полагая, что все частотные нестабильности отражены в отклонениях частоты входного сигнала f C, запишем отклонение промежуточной частоты от своего среднего (номинального) значения в форме:

где f Г – отклонение частоты генератора управляемого напряжением от величины f Г НОМ.

Для структурной схемы система ЧАПЧ (рис. 6.1) имеем [3]:

Напряжение на выходе частотного детектора Uчд связано с напряжением на выходе фильтра низких частот UФ дифференциальным уравнением:

где для ФНЧ первого порядка (RC-фильтра) Ф = RC.

Рассмотрим процессы подстройки частоты при малых расстройках f ПЧ. Тогда зависимости 1 ( KUU Ф ) и 2 ( f Г f C ) можно представить в следующем виде:

Здесь SГ – крутизна регулировочной характеристики генератора, управляемого напряжением. Подставляя (6.4) в (6.5), получим:

Запишем (6.5) в виде:

где 1 + K0 = 1 + SЧД KU – коэффициент подстройки системы ЧАПЧ.

Решение линейного дифференциального уравнения (6.7) при нулевых начальных условиях может быть представлено в форме [3]:

где = Ф /(1 + K0 ) представляет собой постоянную времени системы ЧАПЧ.

Если при t=0 частота входного сигнала fC изменилась на некоторую величину f С НАЧ, не выходящую за пределы линейной аппроксимации статистической характеристики 2 ( f Г f C ), то при t 0 из (6.8) и (6.2) следует:

Зависимость (6.9) приведена на рис. 6.4 для установившегося значения f Г при t стремящимся к бесконечности. Из (6.9) имеем:

Как следует из (6.10), система ЧАПЧ уменьшает начальную расстройку частоты входного сигнала, вызванную действием дестабилизирующих факторов, причём количественная оценка этого уменьшения определяется величиной коэффициента подстройки ЧАПЧ. Эффективность системы ЧАПЧ определяется значениями Sчд, Sг и Ku. В этой связи целесообразно использовать частотный детектор и генератор, управляемый напряжением, с возможно большими значениями крутизны характеристик.

Время установления tУ частоты определим из (6.9) как время, прошедшее от начала процесса автоматической подстройки (t = 0) до момента досf С НАЧ тижения f ПЧ значения 1,1 f ПЧ ОСТ =. Приравняв (6.9) этому значению, получим [2]:

Рис. 6.4. Характеристика установления частоты в системе ЧАПЧ Быстродействие системы ЧАПЧ при приеме частотно-модулированных сигналов ограничено требованием отсутствия демодуляции сигнала для самой низкой модулирующей частоты Fм min. Вместе с тем система ЧАПЧ должна уменьшать расстройки, происходящие относительно медленно из-за влияния различных дестабилизирующих факторов, т. е. постоянная времени системы ЧАПЧ должна удовлетворять условиям:

где дестаб – «период» дестабилизирующих изменений частоты входного сигнала. Заметим, что система ЧАПЧ при любом значении постоянной времени неизбежно в той или иной степени снижает индекс частотной модуляции входного сигнала.

Уравнение (6.9) описывает работу системы ЧАПЧ в стационарном режиме при условии небольших начальных расстроек, когда справедливы линейные аппроксимации характеристик: детекторной (частотного детектора) и регулировочной (генератора управляемого напряжением). Как следует из рис. 6.4, регулировочная характеристика является прямой, проходящей под углом arctg [1/(1+K 0 )] к оси абсцисс.

Отметим, что при увеличении порядка фильтра низкой частоты порядок уравнения системы ЧАПЧ (6.7) повышается, и при числе звеньев более двух такая система ЧАПЧ может войти в режим самовозбуждения. Это может выражаться в появлении на выходе УПЧ дополнительной паразитной частотной и амплитудной модуляции.

При больших начальных расстройках начинают проявляться нелинейности элементов схемы системы ЧАПЧ. Проведем графический анализ работы системы ЧАПЧ при больших расстройках в стационарном режиме. Изобразим на детекторной характеристике частотного детектора (рис. 6.2) регулировочную характеристику ГУН. При этом учтём, что в стационарном реdU Ф имеем U У = U ЧД = U Ф. Детекторная характеристика (рис. 6.2) переносится в область частот fг добавлением к каждому значению fпч величины Рис. 6.5. Зависимость частоты на выходе УПЧ от начальной расстройки.

Рис. 6.6. Детекторная и регулировочная характеристики системы ЧАПЧ Совмещенные характеристики изображены на рис. 6.6. В положении регулировочной характеристики дестабилизирующие факторы отсутствуют и f Г = f Г НОМ при f ПЧ = f ПЧ НОМ. Из-за влияния дестабилизирующих факторов на генератор, управляемый напряжением, регулировочная характеристика смещается вдоль оси частот. Кривая 2 показывает состояние системы ЧАПЧ при увеличении частоты ГУН на величину f Г относительно f Г НОМ. При этом на выходе ЧД появляется положительное напряжение, которое снижает частоту ГУН (рис. 6.3). Снижение частоты будет происходить до тех пор, пока не уравняются напряжение U ЧД, создаваемое частотным детектором, и напряжение U У, необходимое для генерации данной частоты. Этому положению соответствует точка пересечения характеристик ЧД и ГУН. Таким образом, вместо начальной расстройки f Г будет остаточная расстройка f Г f Г НОМ < f Г. Её величина определяется выражением (6.10).

Если начальная расстройка выходит за пределы «полосы втягивания», но остается в пределах «полосы удержания», ограниченной точками пересечения с осью частот регулировочных характеристик, являющихся внешними касательными детекторной характеристики ЧД (рис. 6.7), то появляются три точки пересечения этих характеристик. Точка 1 является устойчивой и в ней выполняется условие подстраивающего действия системы ЧАПЧ. При работе точке 2 система ЧАПЧ не является устойчивой, т.к. при любых случайных отклонениях частоты f Г, генерируемая частота переходит в точки 1 и 3. В последнем случае система ЧАПЧ прекращает подстраивающее действие.

При начальной расстройке в пределах от f Г до границы «полосы удержания» система ЧАПЧ будет осуществлять подстраивающее действие. Наоборот, если происходило уменьшение начальной расстройки за пределами «полосы удержания» до границы «полосы втягивания», то система ЧАПЧ не будет производить подстройку частоты, пока начальная расстройка не окажется в «полосе втягивания».

Описанные процессы соответствуют регулировочной характеристике системы ЧАПЧ, представленной на рис. 6.8. Характерным является наличие «гистерезисной петли» [2],обусловленной различием величин «полосы втягивания» и «полосы удержания».

На рис. 6.7 условно показаны возможные сложные траектории (пунктирные линии) перехода системы ЧАПЧ из рабочей области в область отсутствия подстройки по частоте. Ширина «полосы удержания», и «полосы втягивания» пропорциональна полосе пропускания FЧД частотного детектора и тем больше, чем больше K0.

Рис. 6. 7. Детекторная и регулировочная характеристики системы ЧАПЧ Рис. 6.8. Регулировочная характеристика системы ЧАПЧ 6.6. Лабораторная работа «Частотная автоподстройка частоты»

Цель лабораторной работы – экспериментальное исследование процесса частотной автоподстройки частоты в усилительно-преобразовательном тракте с формированием промежуточной частоты f пч.

В задачи лабораторной работы входит:

• исследование зависимости «полосы удержания» и «полосы втягивания» от коэффициента усиления в петле обратной связи и параметров фильтра низкой частоты системы ЧАПЧ;

• определение времени установления процесса втягивания частоты в системе ЧАПЧ от значений коэффициента усиления в петле обратной связи и параметров фильтра низкой частоты.

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований процесса частотной автоподстройки частоты. На установке исследуются:

• зависимости «полосы удержания» и «полосы втягивания» от значений коэффициента усиления в петле обратной связи и параметров фильтра низкой частоты первого и второго порядков;

• время установления и характер процесса втягивания частоты в системе ЧАПЧ от значений коэффициента усиления в петле обратной связи и параметров фильтра низкой частоты.

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований в автономном режиме при использовании встроенных измерительных приборов и режиме работы с внешними измерительными приборами. Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 6.9. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы. На правом поле расположен цифробуквенный дисплей с кнопками управления.

Лабораторная установка включает в себя генератор высокой частоты Gc, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, частотный детектор, фильтры низкой частоты, усилители, генератор, управляемый напряжением, генератор цикла.

Панель ручного управления состоит из трех полей:

Поле «Gц» – генератора цикла:

«ВКЛ» – кнопка и индикатор включения генератора.

Поле «Gс» – генератора высокочастотного сигнала:

«ЧАСТОТА» – потенциометр плавной регулировки частоты генератора.

Поле «ЧАПЧ»:

«ВКЛ» – кнопка и индикатор включения цепи обратной связи.

«ФНЧ» – кнопка и индикаторы переключения фильтров низкой частоты ФНЧ1 и ФНЧ2.

«УСИЛЕНИЕ» – кнопка и индикаторы переключения коэффициентов усиления (К1, К2, К3).

На цифробуквенном дисплее отображаются измеряемые величины и номер пункта работы. Под дисплеем расположены следующие кнопки:

«» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к концу;

«Т» – кнопка сброса контроллера управления.

Генератор, управляемый напряжением, сделан по схеме управляемого напряжением питания мультивибратора. Изменение частоты генератора осуществляется путем изменения напряжения питания. Выход ГУН подключен к первому входу преобразователя частоты. На второй вход преобразователя частоты через формирователь сигналов поступает входной сигнал U С (t ) (коаксиальный вход «Вых.1» лабораторной установки). Нагрузкой преобразователя частоты является фильтр промежуточной частоты ФПЧ, имеющий среднюю частоту f ПЧ = 465 кГц, усилителя промежуточной частоты УПЧ. Фильтр состоит из двух параллельных LC-контуров с внешнеёмкостной связью. Выход УПЧ подключен к коаксиальному выходу «Вых.2» лабораторной установки. С выхода УПЧ сигнал U ПЧ (t ) поступает на вход частотного детектора ЧД, собранного по схеме на двух расстроенных LC-контурах. Выход этого детектора соединён с коаксиальным выходом «Вых.3» установки. Нагрузкой детектора являются фильтры низкой частоты первого, либо второго порядков с полосой прозрачности FФНЧ = 16Гц и 5Гц соответственно. Изменение порядка фильтров производится кнопкой «ФНЧ» путем последовательного нажатия и при наличии контроля номера фильтра с помощью светодиодного индикатора. Если светодиодный индикатор светится, то включен тот фильтр низкой частоты, который имеет тот же номер. Элементами фильтров являются: R1C1 (фильтр первого порядка) и R2C2 (фильтр второго порядка).

Усиление в петле обратной связи определяется коэффициентом усиления KU усилителя постоянного тока, подключённого к выходу фильтров низкой частоты. В лабораторной установке предусмотрена коммутация четырех значений KU. При этом в случае, когда светодиодные индикаторы «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» не светятся KU =1. Если светодиодный индикатор К светится, KU =2,6. Если светится индикатор К2 – KU =10 и если светится индикатор К3 – KU =50. Управляющее напряжение U У с выхода усилителей поступает через переключатель (кнопка «Вкл» поля ЧАПЧ) на вход управления генератора, управляемого напряжением. С помощью кнопки «Вкл» происходит замыкание или размыкание петли обратной связи системы ЧАПЧ. Состояние кнопки контролируется светодиодом. При включенном светодиоде состояние кнопки замкнутое.

В лабораторной установке для исследования процесса втягивания частоты предусмотрен режим работы системы ЧАПЧ с периодическим включением петли обратной связи, при наличии некоторой произвольно задаваемой начальной расстройки. Такой динамический режим работы обеспечивает встроенный генератор цикла, включение которого осуществляется с помощью кнопки «ВКЛ» включения генератора, расположенной в поле «Gц» генератора цикла. Для обеспечения возможности регистрации формы переходных характеристик с помощью осциллографа предусмотрена его синхронизация. Для этого вход синхронизации развертки осциллографа подключается с помощью кабеля к выходу «Вых. синхронизации» лабораторной установки.

Частота колебаний входного сигнала и выходного сигнала промежуточной частоты контролируется встроенными цифровыми частотомерами.

Для изучения характера процесса втягивания и измерения времени установления частоты в системе ЧАПЧ используется осциллограф.

На задней стенке установки имеется разъем для подключения ЭВМ и контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение входного сигнала, «Вых 2» – напряжение на выходе усилителя промежуточной частоты Uпч, «Вых 3» – напряжение на выходе частотного детектора.

Программа и порядок выполнения экспериментальных исследований Ознакомившись с описанием лабораторной установки и составив план проведения экспериментальных исследований, включить установку нажатием кнопки «Вкл».

Все переключения производятся с помощью кнопок на передней панели установки, включенное состояние кнопки индицируется светодиодом. Измерения выполняются встроенными приборами под управлением микроконтроллера, а результаты измерений выводятся на цифробуквенный дисплей, расположенный на лицевой панели. Выбор измеряемых величин и подключение их к дисплею производится кнопками выбора пункта лабораторной работы («»), расположенными вместе с кнопкой «сброс» («T») под цифробуквенным дисплеем.

Для выполнения лабораторной работы предлагаются следующие задания.

Задание 1. Снять зависимость постоянного напряжения на выходе частотного детектора U ЧД от частоты входного сигнала f С при разомкнутой петле обратной связи (светодиодный индикатор «ВКЛ» в поле «ЧАПЧ» не светится). Частоту входного сигнала изменять в пределах от 1280 кГц до кГц. Частоты f С и f ПЧ, соответствующие экстремумам и нулю выходного напряжения частотного детектора, определить с погрешностью не более 0, кГц.

Частота входного сигнала и промежуточная частота, соответствующие нулю выходного напряжения, являются соответственно f С НОМ и f ПЧ НОМ. Получить значения f С НОМ, f ПЧ НОМ, и f Г НОМ = f С НОМ + f ПЧ НОМ. Результаты измерения занести в таблицу. Построить график U ЧД = ( f ПЧ ).

Задание 2. Получить зависимости частоты выходного сигнала f ПЧ от частоты входного сигнала f С (в диапазоне (1280–1360) кГц) при замкнутой петле обратной связи (светодиодный индикатор «ВКЛ» в поле «ЧАПЧ» светится), включённом фильтре низкой частоты первого порядка (светодиодный индикатор 1 «ФНЧ» светится, остальные не светятся) для различных значений коэффициента усиления KU.

2.1. Установить коэффициент усиления KU=1 (светодиодные индикаторы «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» не светятся) и получить зависимость f ПЧ = ( f С ). Перестройку частоты f С производить как в сторону увеличения частоты от 1280 кГц до 1360 кГц, так и в сторону её уменьшения от 1360 кГц до 1280 кГц. Обратить внимание на наличие (или отсутствие) петли гистерезиса. Результаты измерения f ПЧ, f С и расчёты f ПЧ f ПЧ НОМ, f С f С НОМ занести 2.2. Повторить измерения по п.2.1 для коэффициента усиления KU=2, (светодиодный индикатор К1 «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» светится).

Примечания: Частоты f С и f ПЧ, соответствующие характерным точкам (нули, экстремумы, и перескоки) определять с погрешностью не более 0,1 кГц; Разомкнутая петля обратной связи эквивалентна KU=0.

2.3 Повторить измерения по п.2.1 для коэффициента усиления KU= (светодиодный индикатор К2 «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» светится, остальные не светятся).

2.4 Повторить измерения по п.2.1 для коэффициента усиления KU= (светодиодный индикатор К3 «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» светится, остальные не светятся).

Задание 3. Определить зависимость величины остаточной расстройки промежуточной частоты f ПЧ ОСТ от величины коэффициента усиления в петле обратной связи для ФНЧ первого порядка (светодиодный индикатор «ФНЧ» светится, остальные не светятся).

При начальной расстройке f С НАЧ = 10кГц получить величину f ПЧ ОСТ при следующих условиях: петля обратной связи разомкнута (светодиодный индикатор «ВКЛ» в поле «ЧАПЧ» не светится); петля обратной связи замкнута (светодиодный индикатор «ВКЛ» в поле «ЧАПЧ» светится): коэффициенты усиления KU=1 (светодиодные индикаторы «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» не светятся), KU=2,6 (светодиодный индикатор К1 «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» светится), KU=10 (светодиодный индикатор К2 «УСИЛЕНИЕ»

в поле «ЧАПЧ» светится, остальные не светятся), и KU=50 (светодиодный индикатор К3 «УСИЛЕНИЕ» в поле «ЧАПЧ» светится, остальные не светятся). Результаты измерения f ПЧ ОСТ и значение напряжения на выходе частотного детектора U ЧД занести в таблицу.

Задание 4. Определить время установления tУ процесса втягивания и проанализировать формы переходного процесса (динамические характеристики). Установить начальную расстройку f С НАЧ в пределах (4–8) кГц.

Включить циклический режим работы системы ЧАПЧ (светодиодный индикатор «ВКЛ» поля «Gц» светится.

4.1. Для фильтра низкой частоты первого порядка (светодиодный индикатор 1 «ФНЧ» светится), получить осциллограммы процесса втягивания частоты для четырех значений коэффициента усиления KU=1; 2,6; 10 и 50. С помощью осциллографа, подключенного к коаксиальному разъему «Вых.3»

получить осциллограммы напряжения на выходе частотного детектора и зарисовать их.

4.2. Для фильтра низкой частоты второго порядка (светодиодный индикатор 2 «ФНЧ» светится) получить осциллограммы процесса втягивания частоты для четырех значений коэффициента усиления KU=1; 2,6; 10 и 50. Зарисовать осциллограммы напряжений.

Отчёт о лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Структурную схему, краткое описание принципов работы исследуемой системы ЧАПЧ.

при разомкнутой петле обратной связи (таблица и график).

4. Результаты измерения f ПЧ = ( f С ) при замкнутой петле обратной связи для различных значений коэффициента усиления KU.

4.1. Для фильтра низкой частоты первого порядка (таблицы и графики).

5. Результаты измерения остаточной расстройки f ПЧ ОСТ = ( KU ) и U ЧД при f С НАЧ =10 кГц.

6. Результаты измерения времени установления tУ процесса втягивания частоты и осциллограммы напряжений на выходе частотного детектора.

7. Анализ полученных результатов.

7.1. Объяснить причину появления петли гистерезиса при коэффициентах усиления KU > 1.

7.2. Объяснить отличие формы зависимости f ПЧ = ( f С ) для различных значений коэффициента усиления KU.

7.3. Сравнить результаты экспериментального измерения остаточной расстройки f ПЧ ОСТ и теоретического расчёта для различных значений коэффициента усиления KU.

8. Объяснить характер изменения напряжения на выходе ЧД на осциллограммах при исследовании переходного процесса в петле автоматической подстройки. Проанализировать изменение формы этого напряжения в зависимости от порядка ФНЧ и коэффициента усиления KU.

1. Назначение системы частотной автоподстройки частоты в УПиОС.

2. Основные характеристики системы ЧАПЧ.

3. Структурная схема системы ЧАПЧ.

4. Назначение фильтра низкой частоты и усилителя в петле автоматической подстройки.

5. Основное дифференциальное уравнение.

6. Объяснить вид зависимости расстройки частоты на выходе УПЧ от расстройки частоты входного сигнала.

7. Пояснить наличие гистерезиса в зависимости f ПЧ = ( f С ).

8. Чем определяется «полоса удержания» и «полоса втягивания» системы ЧАПЧ.

9. Какие преимущества даёт использование ФНЧ более высоких порядков.

10 Объяснить зависимость остаточной расстройки от коэффициента усиления.

7. ФАЗОВАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ

Системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) называется система автоматического регулирования, обеспечивающая автоматическое регулирование частоты управляемого генератора в устройствах приема и обработки сигналов в соответствии с частотой входного сигнала и использующая в качестве измерительного элемента фазовый детектор.

Системы ФАПЧ используются для подстройки частоты гетеродина в супергетеродинных радиоприемных устройствах, выделения несущей частоты в демодуляторах систем передачи сообщений при реализации когерентного приема сигналов, измерения частоты с помощью узкополосных следящих фильтров, при формировании высокостабильных колебаний в синтезаторах частот различных радиотехнических устройств и т. д. Системы ФАПЧ могут быть реализованы в аналоговом и цифровом виде.

Особенностью системы ФАПЧ (находящейся в состоянии синхронизации) является нулевая статическая ошибка по частоте, т. е. равенство частот колебаний подстраиваемого генератора (гетеродина) uг(t) = Uг cosгt и эталонного (входного) колебания uc(t) = Uccosсt. Вместе с тем в электронных системах ФАПЧ существует статическая ошибка регулирования по фазе, т. е.

статическое отличие фаз колебаний подстраиваемого генератора, управляемого напряжением (ГУН), и эталонного сигнала. Системы ФАПЧ обычно имеют сравнительно узкий диапазон начальных расстроек, в котором они осуществляют подстраивающее действие. При анализе работы системы ФАПЧ рассматривают режимы удержания и захвата.

Режимом удержания называется установившийся режим равенства частот с = г, соответствующий эффективной работе системы ФАПЧ при медленных изменениях начальной расстройки. При этом имеются в виду изменения, скорость которых много меньше скорости переходных процессов в системе.

Режимом захвата называется процесс, возникающий при скачкообразном изменении начальной расстройки и заканчивающийся установлением режима удержания. Характерным различием этих режимов является то, что в режиме захвата существенную роль играют переходные процессы.

Основными характеристиками систем ФАПЧ являются следующие:

• Полоса удержания У – область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно работает в режиме удержания.

• Полоса захвата З – область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно работает в режиме захвата.

• Время захвата tЗ – время перехода системы ФАПЧ в режим синхронизации, существенно зависящее от значения начальной расстройки между частотой входного колебания и частотой колебания ГУН.

7.2. Принципы работы системы фазовой автоподстройки частоты Основными элементами структурной схемы системы фазовой автоподстройки частоты (рис. 7.1) являются: фазовый детектор – ФД, фильтр низкой частоты – ФНЧ, усилитель – УС, управляющий элемент – УЭ и перестраиваемый (синхронизируемый) генератор – ГУН.

На один вход фазового детектора ФД поступает сигнал uc(t) = Uccosct, на второй – высокочастотное колебание uг (t) = Uгcosгt синхронизируемого перестраиваемого генератора. Между выходом ФД и входом управляющего элемента в петле обратной связи находятся фильтр низкой частоты ФНЧ и усилитель постоянного тока УС. Именно эти два элемента структурной схемы практически формируют частотную характеристику системы ФАПЧ и определяют ее петлевой коэффициент передачи. Если частота сигнала с и частота колебания на выходе ГУН Г отличаются друг от друга на постоянную величину, то мгновенное значение разности фаз между ними будет равно Если разность частот двух колебаний не постоянна во времени, то мгновенное значение разности фаз можно определить по формуле откуда Обычно в качестве фазового детектора ФД (рис. 7.1) используется аналоговый перемножитель, имеющий на выходе фильтр нижних частот, пропускающий лишь колебание разностной частоты. Тогда на выходе этого перемножителя будет присутствовать колебание вида где kфд – коэффициент передачи фазового детектора (аналогового перемножителя).

Если положить коэффициент передачи ФНЧ в полосе пропускания kфнч = 1, то напряжение на входе управляющего элемента УЭ будет пропорционально косинусу текущего сдвига фаз между колебаниями:

где (t) = (г – с) t, k – коэффициент передачи петли обратной связи.

Управляющее напряжение используется в системе ФАПЧ для подстройки генератора, управляемого напряжением ГУН. Изменение частоты Г будет определяться изменением сдвига фаз (t).

Рассмотрим подробнее режимы работы системы ФАПЧ.

В зависимости от начальной разности частот н входного колебания с и частоты ГУН г0 при разомкнутой петле обратной связи система ФАПЧ может находиться в различных режимах (рис. 7.2). На этом рисунке прямая линия = н соответствует разомкнутой петле обратной связи системы ФАПЧ.

Когда начальная расстройка н больше полосы удержания У, в системе ФАПЧ наблюдается режим биений, для которого характерно отсутствие равенства частот ГУН и входного сигнала, т. е. с г. В этом режиме разность фаз входного колебания и колебания ГУН непрерывно возрастает, а напряжение uФД (t) на выходе фазового детектора изменяется, представляя собой колебательное напряжение переменной частоты. Средняя частота биений меньше начальной расстройки н. Если начальная расстройка увеличивается, то средняя частота биений асимптотически стремится к н (рис. 7.2).

Наличие ФНЧ на выходе фазового детектора ФД при прочих равных условиях приводит к уменьшению амплитуды биений по сравнению со случаем рассмотрения системы ФАПЧ без ФНЧ, т. е. к затруднению ввода системы в состояние синхронизации. Именно поэтому в системах ФАПЧ с ФНЧ полоса захвата всегда меньше полосы удержания (см. рис. 7.2).

При достижении величиной |н| значения З/2 средняя частота биений стремится к нулю, т. е. через время tЗ частота ГУН и частота входного сигнала становятся одинаковыми, и система ФАПЧ переходит в режим захвата. На практике полосу захвата З (рис. 7.2) определяют по моменту синхронизации частот ГУН и входного сигнала при изменении |н| от больших значений к малым.

Рис. 7.2. Зависимость разности частот входного сигнала с При наличии синхронизации и изменении расстройки |н| от нулевого значения в сторону увеличения очевидно, что биения колебаний будут отсутствовать вплоть до момента срыва синхронизации при |н| у /2.

7.3. Лабораторная работа «Фазовая автоподстройка частоты»

Цель лабораторной работы – экспериментальное исследование и моделирование процесса фазовой автоподстройки частоты:

• определение зависимости полосы захвата и полосы удержания от значения коэффициента усиления и параметров фильтра низкой частоты (интегрирующего и пропорционально-интегрирующего) в петле обратной связи системы ФАПЧ;

• изучение влияния аддитивного входного шума на основные характеристики системы ФАПЧ.

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований процесса фазовой автоподстройки частоты.

На установке исследуются:

• зависимость полосы захвата и удержания ФАПЧ от значения коэффициента усиления, вида и параметров интегрирующего и пропорциональноинтегрирующего ФНЧ в петле обратной связи;

• влияние аддитивного шума на основные характеристики ФАПЧ.

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме подключения внешних измерительных приборов.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 7.3. На левом верхнем поле изображена функциональная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы, на правом поле – цифробуквенный дисплей с отображением пунктов работы и результатов измерений исследуемых параметров системы ФАПЧ.

Лабораторная установка состоит из генератора входного сигнала, генератора шума и устройства ФАПЧ (см. рис. 7.3).

Генератор высокочастотного сигнала – ГВЧ («G») формирует синусоидальный высокочастотный сигнал uс(t) = Uc cosc t, регулируемый по частоте в пределах 440–510 кГц. Генератор шума – ГШ («Gw») вырабатывает аддитивный нормальный шум с изменяемым в пределах 0–2 В среднеквадратическим значением напряжения Uш. Сигналы Uc(t) и Uш(t) суммируются в избирательном резонансном усилителе с полосой пропускания 35 кГц.

Система ФАПЧ состоит из фазового детектора – ФД («»); фильтра низкой частоты – ФНЧ; пропорционально интегрирующего фильтра (ПИФ);

усилителей с коэффициентами усиления К1 и К2 и перестраиваемого управляемого напряжением генератора – ГУН («G||»).

Для проведения исследований в лабораторной установке предусмотрено изменение следующих параметров системы ФАПЧ:

• вида RC-фильтров – интегрирующего (ФНЧ) и пропорциональноинтегрирующего (ПИФ);

• параметров фильтров:

значений интегрирующих конденсаторов в ФНЧ С1 и С2, значений RC-цепочек в ПИФ – R1C1 и R2C1;

• коэффициента усиления петли обратной связи ОС – К1 и К2.

Значения параметров:

К1/К2 = 1,5.

На задней стенке установки имеются контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение Uс, «Вых 2» – напряжение UГ, «Вых 3» – напряжение Uупр.

Панель ручного управления состоит из трех полей:

Поле «ГВЧ» – генератор высокочастотного сигнала uc(t).

«ВКЛ» – кнопка включения генератора.

«ЧАСТОТА» – потенциометр регулировки частоты.

Поле «ГШ» – генератор шума.

«ВКЛ» – кнопка включения генератора шума.

«АМПЛИТУДА» – потенциометр регулировки величины уровня шума.

Поле «ФАПЧ»

«ВКЛ» – кнопка включения ФНЧ.

«С1» и «С2» – кнопки подключения конденсаторов С1 и С2.

«ВКЛ» – кнопка включения ПИФ.

«C1R1» и «C1R2» – кнопки включения RC-цепочек с параметрами C1R1 и C1R2.

«Усиление»

«К1» и «К2» – кнопки переключения коэффициентов усиления К1 и К петли ОС.

На цифробуквенном дисплее отображаются измеряемые величины и номер пункта работы. Под дисплеем расположены следующие кнопки:

«» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к концу;

«Т» – кнопка сброса контроллера управления.

Ознакомившись с описанием лабораторной установки и составив план проведения эксперимента, включить питание и саму установку нажатием кнопки «Вкл».

Все переключения производятся с помощью кнопок на передней панели установки, включенное состояние кнопки индицируется светодиодом. Измерения выполняются встроенными приборами под управлением микроконтроллера, а результаты измерений выводятся на цифробуквенный дисплей.

Выбор измеряемых величин и подключение их к цифробуквенному дисплею производятся кнопками выбора пункта лабораторной работы («»).

Для выполнения лабораторной работы предлагаются следующие задания.

Задание 1. Измерение амплитудно-частотной характеристики входного фильтра Порядок выполнения 1. Включить генератор высокой частоты ГВЧ, отключить генератор шума ГШ и петлю обратной связи ОС.

2. Изменяя частоту fc в пределах от 440–510 кГц, измерить напряжение сигнала U на выходе полосового сумматора «».

3. Результаты измерений занести в таблицу. Построить график зависимости U = F(fc). Определить значение центральной частоты входного фильтра – fc0 и его полосу пропускания – F (по уровню 0,7).

Задание 2. Измерение собственной частоты колебания генератора, управляемого напряжением, ГУН – fг Измерение производится при разомкнутой петле обратной связи (усилители К1 и К2 отключены от Uупр).

Задание 3. Измерение полосы захвата и полосы удержания ФАПЧ без фильтрации Порядок выполнения 1. Включить генератор, управляемый напряжением, ГВЧ и ФНЧ; отключить конденсаторы С1, С2.

2. Установить коэффициент усиления К1.

3. Плавно увеличивая частоту fc в диапазоне от минимального значения до максимального, зафиксировать нижнюю частоту захвата fзн и верхнюю частоту удержания fув.

4. Плавно изменяя fc в обратном порядке от максимального значения до минимального, зафиксировать верхнюю частоту захвата fзв и нижнюю частоту удержания fун.

5. Определить полосы захвата (FЗ = fзв – fзн) и удержания (FУ = fув – fун) для данных параметров схемы ФАПЧ.

6. Повторить измерения для коэффициента усиления К2.

Задание 4. Исследование зависимости полосы захвата и полосы удержания ФАПЧ от типа и параметров низкочастотных фильтров в петле обратной связи Порядок выполнения 1. Включить генератор высокой частоты ГВЧ и фильтр низкой частоты ФНЧ.

2. Подключить усилитель К1 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С1.

3. Плавно увеличивая частоту fc в диапазоне от минимального значения до максимального, получить зависимость (fc – fг) = F(fc – fг0) (см. рис. 7.2).

4. Получить эту же зависимость при плавном уменьшении частоты fc в обратном порядке, от максимального значения до минимального.

5. Построить график (fc – fг) = F(fc – fг0) и по нему определить полосы захвата и удержания для данного режима работы схемы ФАПЧ.

6. Подключить усилитель К1 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С2.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.

7. Подключить усилитель К2 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С1.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.

8. Подключить усилитель К2 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С2.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.

Включить генератор высокой частоты ГВЧ и пропорциональноинтегрирующий фильтр ПИФ.

9. Подключить усилитель К1 и цепочку С1R1 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.

10. Подключить усилитель К1 и цепочку С1R2 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.

11. Подключить усилитель К2 и цепочку С1R1 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.

12. Подключить усилитель К2 и цепочку С1R2 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой задания 3.