Главная страница
Навигация по странице:

  • 1. Общие сведения.

  • 2. Принципы работы системы фазовой автоподстройки частоты.

  • Выполнение работы. Задание 1.

  • фапч. Фазовая автоподстройка частоты


    НазваниеФазовая автоподстройка частоты
    Анкорфапч.doc
    Дата04.05.2017
    Размер380 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлафапч.doc
    ТипЛабораторная работа
    #1824


    МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

    ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА
    Институт физики и химии
    Кафедра радиотехники


    Лабораторная работа

    По курсу: «Радиоавтоматика»

    На тему: « ФАЗОВАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ»

    Студент 403 группы д/о Гончаров Д.Л.
    Специальность 210601 «РЭСиК»

    Проверил Пьянзин Д.В.
    Саранск 2014


    1. Общие сведения.

    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) и эталонного (входного) колебания . 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, 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 - область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно работает в режиме удержания.

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

    • Время захвата t3 - время втягивания системы ФАПЧ в режим синхронизации, существенно зависящее от значения начальной расстройки между частотой входного колебания и частотой колебания ГУН.
    2. Принципы работы системы фазовой автоподстройки частоты.
    Основными элементами структурной схемы системы фазовой автоподстройки частоты (рис. 1) являются: фазовый детектор - ФД, фильтр низкой частоты - ФНЧ, усилитель - УС, управляющий элемент УЭ и перестраиваемый (синхронизируемый) генератор - ГУН.



    Рис. 1. Структурная схема системы ФАПЧ.
    На один вход фазового детектора ФД поступает сигнал, на второй - высокочастотное колебание 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 ωс и частота колебания на выходе ГУН ωг отличаются друг от друга на постоянную величину Δω, то мгновенное значение разности фаз φ 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. 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 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 , k - коэффициент передачи петли обратной связи.

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

    Рассмотрим подробнее режимы работы системы ФАПЧ.

    В зависимости от начальной разности частот ωн входного колебания ωС и частоты ГУН ωГ0 при разомкнутой петле обратной связи система ФАПЧ может находиться в различных режимах (рис. 2). На этом рисунке прямая линия Δω = ωн соответствует разомкнутой петле обратной связи системы ФАПЧ.



    Рис. 2. Зависимость разности частот входного сигнала ωс и сигнала ГУН ωг от величины ωн.
    Когда начальная расстройка ωН больше полосы удержания ΔΩУ, в системе ФАПЧ наблюдается режим биений, для которого характерно отсутствие равенства частот ГУН и входного сигнала, т. е. ωС≠ ωГ. 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 ωН. Если начальная расстройка увеличивается, то средняя частота биений асимптотически стремится к ωН (рис. 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. 2).

    При достижении величиной |ωН| значения ΔΩЗ/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 ΔΩЗ (рис. 2) определяют по моменту синхронизации частот ГУН и входного сигнала при изменении |ωН| от больших значений к малым.

    При наличии синхронизации и изменении расстройки |ωН| от нулевого значения в сторону увеличения очевидно, что биения колебаний будут отсутствовать вплоть до момента срыва синхронизации при |ωН|≈ ΔΩУ/2.
    Выполнение работы.

    Задание 1. Измерение амплитудно-частотной характеристики входного фильтра. Включаем генератор высокой частоты ГВЧ, отключаем генератор шума ГШ и петлю обратной связи ОС.

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

    3. Результаты измерений заносим в таблицу 1. Построим график зависимости U;= F(fc). Определяем значение центральной частоты входного фильтра - fо и его полосу пропускания - ΔF (по уровню 0,7).

    Таблица №1.

    fc, кГц

    U, В

    440

    450

    460

    470

    480

    490

    492

    0,184

    0,230

    0,296

    0,322

    0,31

    0,264

    0,254




    Рис. 1. График зависимости U = F(fc).

    f0 = 470 кГц

    ΔF = кГц
    Задание 2. Измерение собственной частоты колебания генератора, управляемого напряжением, ГУН – fг0. Измерение производим при разомкнутой петле обратной связи (усилители К1 и К2 отключены от Uynp).

    fг0 = 466 кГц.

    Задание 3. Измерение полосы захвата и полосы удержания ФАПЧ без фильтрации.

    1. Включаем генератор, управляемый напряжением, ГВЧ и ФНЧ; отключаем конденсаторы C1, C2.

    2. Устанавливаем коэффициент усиления К1.

    3. Плавно увеличивая частоту fc в диапазоне от минимального значения до максимального, зафиксируем нижнюю частоту захвата f3H и верхнюю частоту удержания fyB.

    fзН = 448 кГц

    fуВ = 473 кГц

    4. Плавно изменяя fc в обратном порядке от максимального значения до минимального, зафиксируем верхнюю частоту захвата fУB и нижнюю частоту удержания f.

    fзВ = 477 кГц

    fуН = 452 кГц

    5. Определяем полосы захвата (ΔF3 = f3B – fЗН) и удержания (ΔFу = fУB – fУН) для данных параметров схемы ФАПЧ.

    ΔF3 = fзB – fзН = 25 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 25 кГц

    Установлен коэффициент усиления К2.

    fзН = 457 кГц

    fуВ = 467 кГц

    fзВ = 463 кГц

    fуН = 453 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 10 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 10 кГц
    Задание 4. Исследование зависимости полосы захвата и полосы удержания ФАПЧ от типа и параметров низкочастотных фильтров в петле обратной связи.

    1. Включаем генератор высокой частоты ГВЧ и фильтр низкой частоты ФНЧ.

    2. Подключаем усилитель К1 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ-С1.

    3. Плавно увеличивая частоту fc в диапазоне от минимального значения до максимального, получаем зависимость (fc - fr) = F(fc - fro).

    Таблица №2.

    fc, кГц

    fr, кГц

    fc - fr

    F(fc - fr0)

    404,2

    410,3

    420,4

    430,1

    440,5

    450,1

    460,2

    470,7

    475,1

    480,0

    485,4

    490,4

    494,3

    461,8

    463,1

    463,3

    463,2

    463,7

    464,0

    460,2

    470,7

    465,0

    465,0

    464,7

    464,8

    465,2

    -57,6

    -52,8

    -42,9

    -33,1

    -23,2

    -13,9

    0

    0

    10,1

    15

    20,7

    25,6

    29,1

    -61,8

    -55,7

    -45,6

    -35,9

    -25,5

    -15,9

    -5,8

    4,7

    9,1

    14

    19,4

    24,4

    28,3

    Рис.2. График зависимости (fc - fr) = F(fc - fro).
    4. Получаем эту же зависимость при плавном уменьшении частоты fc в обратном: порядке, от максимального значения до минимального.

    Таблица 3.

    fc, кГц

    fr, кГц

    fc - fr

    F(fc - fr0)

    494,3

    490,3

    484,8

    480,0

    475,0

    470,0

    450,6

    448,6

    444,5

    440,7

    434,8

    425,5

    415,1

    403,6

    465,2

    464,5

    464,5

    464,5

    464,5

    470,0

    450,6

    462,7

    463,0

    462,7

    461,9

    462,0

    461,2

    461,2

    29,1

    25,8

    20,3

    15,5

    10,5

    0

    0

    -14,1

    -18,5

    -22

    -27,1

    -36,5

    -46,1

    -57,6

    28,3

    24,3

    18,8

    14

    4

    -15,4

    -17,4

    -21,5

    -25,3

    -31,2

    -40,5

    -50,9

    -62,4


    5. Построим график (fc - fr) = F(fc - fro) и по нему определим полосы захвата и удержания для данного режима работы схемы ФАПЧ.


    Рис. 3. Изменение частоты fс в диапазоне от максимального значения до минимального.
    Рис. 4. Графики зависимости (fc - fr) = F(fc - fro) при

    увеличении и уменьшении fс

    6. Подключаем усилитель К1 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ - С2.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 431 кГц

    fуВ = 477 кГц

    fзВ = 494 кГц

    fуН = 449 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 63 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 28 кГц
    7. Подключаем усилитель К2 и интегрирующий конденсатор в ФПЧ - Cl.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 452 кГц

    fуВ = 483 кГц

    fзВ = 494 кГц

    fуН = 441 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 42 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 42 кГц
    8. Подключаем усилитель К2 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ - С2.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 403 кГц

    fуВ = 480 кГц

    fзВ = 475 кГц

    fуН = 441 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 72 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 39 кГц
    Включаем генератор высокой частоты ГВЧ и пропорционально-интегрирующий фильтр ПИФ.
    9. Подключаем усилитель К1 и цепочку C1R1 в ПИФ.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 451 кГц

    fуВ = 475 кГц

    fзВ = 472 кГц

    fуН = 445 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 21 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 30 кГц

    10. Подключаем усилитель К1 и цепочку C1R2 в ПИФ.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 452 кГц

    fуВ = 475 кГц

    fзВ = 464 кГц

    fуН = 445 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 12 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 30 кГц
    11. Подключаем усилитель К2 и цепочку C1R1 в ПИФ.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 446 кГц

    fуВ = 479 кГц

    fзВ = 471 кГц

    fуН = 440 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 25 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 39 кГц
    12. Подключаем усилитель К2 и цепочку C1R2 в ПИФ.

    Определяем полосы захвата и удержания.

    fзН = 461 кГц

    fуВ = 479 кГц

    fзВ = 467 кГц

    fуН = 440 кГц

    ΔF3 = fзB – fзН = 6 кГц

    ΔFу = fуB – fуН = 39 кГц

    Задание 5. Исследование влияния уровня шума на полосы захвата и удержания в системе ФАПЧ.

    1. Включаем генератор высокой частоты ГВЧ.

    2. Измеряем уровень сигнала Uc на резонансной частоте сумматора.

    Uc = 0,32 В.

    3. Включаем фильтр низкой частоты ФНЧ, интегрирующий конденсатор С1 и подключаем усилитель К1.

    Проводим измерения полосы захвата ΔF3 и удержания ΔFу при уровнях шума в диапазоне Uш = 0-1 В со средним шагом 0,2 В.
    Таблица №4.

    Uш, В

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1

    ΔF3= fуВ - fзН , кГц
    476-460=16
    478-459=19
    480-460=20
    477-459=8
    478-460=18

    ΔFу= fзВ- fуН , кГц
    474-463=13
    476-464=12
    474-463=11
    463-459=4
    473-460=13


    4. Включаем пропорционально-интегрирующий фильтр ПИФ, интегрирующую цепочку R1C1 и подключаем усилитель К1.
    Таблица №5

    Uш, В

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    ΔF3= fуВ - fзН , кГц
    474-459=15
    468-460=8
    468-456=12
    471-459=12

    ΔFу= fзВ- fуН , кГц
    467-461=6
    472-462=10
    468-456=12
    468-461=7



    написать администратору сайта