Устройство сфигмометрии

     Система ФАПЧ может работать в различных  режимах. Например, если частоты ЭГ и ПГ равны и эффект медленных изменений параметров подстраиваемого генератора, определяющих его частоту, в среднем полностью компенсируется действием ФАПЧ, последняя работает в так называемом режиме удержания. С понятием режима удержания неразрывно связано понятие полосы удержания, т.е. области начальных расстроек, в которой возможен этот режим. Ширина полосы удержания определяется разностью граничных значений частоты генератора ПГ, соответствующих наибольшему и наименьшему напряжениям на выходе фазового детектора.

     Возможен  и другой режим работы системы, при  котором разность частот ПГ и ЭГ в среднем равна нулю, а разность их фаз периодически изменяется. Этот режим, используемый крайне редко, называется режимом квазиудержания (квазисинхронизма). Обычно систему проектируют так, чтобы он не возникал.

     Третий  режим работы системы ФАПЧ— режим  биений. Его характерной особенностью является непрерывное нарастание в  среднем разности фаз подстраиваемого  и эталонного генераторов. Режим  биений всегда наблюдается в тех  случаях, когда начальная расстройка ПГ относительно ЭГ (т.е. расстройка, соответствующая нулю напряжения на выходе фазового детектора) больше полосы удержания. В режиме биений среднее значение частоты ПГ отличается от частоты эталонного генератора.

     Переходное  состояние системы, при котором режим биений переходит с течением времени в режим удержания или квазисинхронизма, называют режимом захвата. Под полосой захвата понимают область начальных расстроек, в которой при любых начальных условиях устанавливается режим синхронизма (или квазисинхронизма). Обычно в момент включения частоты подстраиваемого и эталонного генераторов не совпадают и в системе наблюдается режим биений. При этом сигнал подстраиваемого генератора модулируется по частоте напряжением биений.

     В зависимости от знака мгновенного напряжения биений разность частот то повышается, то понижается. В результате длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений оказываются различными и на выходе фазового детектора образуется постоянная составляющая напряжения. наличие этой постоянной составляющей приводит к изменению частоты биений относительно начальной расстройки. Если начальная расстройка не выходит за пределы полосы захвата, то постоянная составляющая снижает частоту биений до нуля, и возникает режим удержания. Если же начальная расстройка превышает полосу захвата, то постоянная составляющая напряжения недостаточна для ее полной компенсации, и в системе наблюдается устойчивый режим биений.

     Практически полосы удержания и захвата можно  определить следующим образом. предположим, что частоты сигналов обоих генераторов при замкнутой петле автоподстройки равны друг другу. Медленно перестраивая эталонный генератор (как в сторону повышения, так и в сторону понижения частоты) до тех пор, пока система не выйдет из синхронизма, находим полосу удержания. Полосу захвата можно определить по наступлению синхронизма системы при медленном изменении начальной расстройки от больших значений к малым.

Рис. 5.2. Зависимость средней разности частот подстраиваемого

и эталонного генераторов от начальной расстройки. 

     В общем случае полосы удержания и  захвата не равны друг другу (рис. 5.2). на рисунке сплошной линией показано устойчивое изменение средней разности частот (частоты биений) W генераторов ЭГ и ПГ в замкнутой системе ФАПЧ при изменении начальной расстройки W_н от больших значений к малым. Пунктирной линией показано неустойчивое изменение W при изменении W_н от малых значений к большим. Прямая линия на этом рисунке отображает зависимость W от W_н в разомкнутой системе ФАПЧ. Поскольку кривые, как правило, получаются симметричными, под полосами удержания и захвата принято понимать половину соответствующих областей, т.е. W_у и W_з. Соотношение между W_у и W_з определяется параметрами системы.

     Одной из важных характеристик системы ФАПЧ является также время и характер установления в ней того или иного режима, т.е. параметры переходных процессов.

     Система ФАПЧ представляет собой разновидность  систем с обратной связью, поэтому  в ней возможна потеря устойчивости. В зависимости от величины флуктуаций, нарушающих равновесие, различают устойчивость системы в «малом», в «большом» и «целом». По существу, устойчивость в «малом» определяет возможность режима удержания, а устойчивость в «большом»— условия отсутствия режима квазисинхронизма. Выполнение этих условий, естественно, гарантирует выполнение условий устойчивости в «малом». Устойчивость в «целом» определяет условие отсутствия режима биений. Это понятие можно использовать также и для определения условий, при которых невозможен ни режим биений, ни режим квазисинхронизма.

     Соотношение между полосой захвата и полосой  удержания, устойчивость системы, ее фильтрующая  способность и время установления режима определяются характеристиками петли автоподстройки. 

5.2. Области применения  систем ФАПЧ

     Как уже отмечалось в предыдущем пункте, система ФАПЧ находит самое широкое применение  в различных областях техники: например, для стабилизации частоты мощного генератора по сигналу маломощного стабильного генератора, для создания высокостабильных возбудителей дискретной сетки частот и устройств, позволяющих плавно и точно изменять частоту высокостабильных генераторов, в устройствах строчной синхронизации в телевидении, в системах выделения несущей для синхронного и корреляционного приема, для фазовой синхронизации колебаний лазера, для деления и умножения частоты, для создания фазовых и частотных модуляторов, для создания амплитудных, фазовых и частотных детекторов, для стабилизации скорости вращения и синхронизации электродвигателей. Система ФАПЧ также широко используется в качестве узкополосного фильтра. 

     5.3. Исследование системы  ФАПЧ на основе  ИС К174ХА12

     Одной из микросхем, реализующих принцип  ФАПЧ, является К174ХА12 [23, 25]. Она содержит 81 интегральный элемент и имеет  типовую структуру для микросхем  этого класса. Корпус типа 238.16-2, масса не более 1.8г.

     Структурная схема ИС К174ХА12 приведена на рис 5.3. В состав микросхемы входят: генератор, управляемый напряжением (ГУН), синхронный детектор, фазовый детектор, усилитель  низкой частоты. 

Рис. 5.3. Структурная схема ИС К174ХА12. 

     Назначение  выводов:

     1 — выход НЧ (АМ);

     2, 3 — регулировка частоты ГУН;

     4 — вход АМ;

     5 — выход ГУН;

     6 — подстройка частоты ГУН;

     7 — регулировка полосы удержания;

     8 — общий;

     9 — выход НЧ (ЧМ);

     10, 14, 15 — выходы ФНЧ;

     11 — напряжение смещения;

     12 — вход ВЧ₁;

     13 — вход ВЧ₂;

     16 — напряжение питания.

     В типовых схемах включения;

1. Вывод 6 используется для электронной подстройки частоты ГУН управляющим током не более 10мА. Вывод 7 используется для электронной регулировки полосы удержания управляющим током от –0.4 до 0.6 мА. Вывод 11 используется для регулировки постоянного потенциала на выводе 9 управляющим током не более 0.2мА абсолютного значения.
2. Выводы 12 и 13 используются для подачи входного ВЧ сигнала на схему фазовой автоподстройки частоты. Уровень входного сигнала не должен превышать 100мВ. Минимальный уровень входного сигналя, при котором система входит в синхронизм, составляет 150мкВ.
3. Вывод 4 используется при подаче входного сигнала в режиме синхронного АМ детектора через внешнюю фазосдвигающую цепь. Фазовый сдвиг на частоте входного сигнала должен составлять 90°, причем уровень входного АМ сигнала не должен превышать 500мВ.
4. Выводы 14 и 15 используются для подключения внешних элементов фильтра нижних частот, значение которых выбирается в зависимости от требуемой полосы захвата. Емкость конденсаторов интегрирующих фильтров может быть ориентировочно определена по формуле , мкФ, где Df— требуемая полоса, Гц.
5. Сопротивление резистора, соединяющего вывод 9 с выводом 8 (корпус), составляет 15кОм. Минимально допустимое сопротивление резистора 6кОм.
6. Вывод 5 подключается к нагрузке через последовательно соединенные разделительный конденсатор емкостью 0.1мкФ и резистор сопротивлением 1кОм. Выводы 2 и 3 используются для подключения частотозадающего конденсатора. Изменяя номинал внешнего конденсатора от 10⁹ до 10пФ, можно устанавливать частоту собственных колебаний ГУН в диапазоне 0¼10⁷Гц.
7. Вывод 10 используется для подключения внешнего конденсатора, образующего совместно с внутренним сопротивлением микросхемы (R=8кОм) цепочку коррекции предыскажений при детектировании ЧМ сигнала.

     Микросхема  К174ХА12 имеет на выходе УНЧ на основе дифференциального усилителя и  эмиттерного повторителя и может  применяться в синтезаторах частот, следящих фильтрах, устройствах регулировки и управления скоростью двигателя. Подключив кварц к выводам 2 и 3, модно с помощью этой микросхемы получить кварцевый генератор, выходное напряжение которого снимается с выхода 5. 

     На  рис. 5.4 изображена исследовавшаяся  в лабораторных условиях принципиальная схема системы ФАПЧ в режиме следящего фильтра, построенная на основе микросхемы К174ХА12.

     В схеме подстроечным конденсатором  С₁ задается рабочая частота ГУН при отсутствии входного сигнала на выводе 12. Резисторы R₁, R₂ вместе с ограничивающими резисторами R₅, R₆ служат для задания тока на выводах 6 и 7 микросхемы. Конденсатор С₉ является блокировочным, а С₈— разделительным.

     Схема лабораторного стенда для исследования платы системы ФАПЧ приведена  на рис. 5.5.

Рис. 5.4. Принципиальная схема исследуемой  системы ФАПЧ. 

Рис. 5.5. Схема стенда для исследования платы  системы ФАПЧ. 

     Были  проведены 4 опыта: сняты зависимости  полосы удержания системы ФАПЧ от напряжения питания схемы (табл. 5.1 и рис. 5.6), от уровня входного сигнала (табл. 5.2 и рис. 5.7), от управляющего тока на выводе 6 микросхемы (табл. 5.3 и рис. 5.8), а также зависимость частоты ГУН при отсутствии входного сигнала от управляющего тока на выводе 6 микросхемы (табл. 5.4 и рис. 5.9). 
 

 

      Таблица 5.1

Зависимость полосы удержания от напряжения питания  при U_вх=70мВ

 

Рис. 5.6. Зависимость полосы удержания от напряжения питания.