Ввиду широкой полосы ФНЧ все сигналы  с выхода фазового детектора будут  воздействовать на реактивный элемент  ПГ без ослабления. При этом «ложные» захваты будут отсутствовать, поскольку  в генераторах эталонных частот, а также на выходе фазового детектора напряжение полезного сигнала превышает уровень побочных составляющих.

     После установления режима синхронизма в  такой широкополосной системе нужно  без его нарушения автоматически  так изменить частотные характеристики цепи от фазового детектора до реактивного элемента, чтобы обеспечивалась требуемая фильтрация помех.

     Может быть предложена двухрежимная система  ФАПЧ с двумя параллельными каналами между фазовым детектором и реактивным элементом [14]. В такой системе  параллельно каналу, который содержит ФНЧ, обеспечивающий оптимальную фильтрацию помех, при нарушении синхронизма подключается другой канал, содержащий ФВЧ. Путем выбора надлежащих коэффициентов передачи частотные характеристики ФНЧ и ФВЧ сопрягаются между собой так, чтобы цепь между фазовым детектором и реактивным элементом при включении обоих каналов имела постоянный коэффициент усиления (во всяком случае, в полосе частот, большей полосы удержания системы ФАПЧ). Тогда процесс установления режима синхронизма в системе ФАПЧ с двумя включенными каналами практически будет протекать так же, как и в системе без фильтра нижних частот (или при широкополосном ФНЧ). После установления режима синхронизма канал, содержащий фильтр верхних частот, автоматически отключается. Возможность отключения канала, содержащего ФВЧ, без нарушения режима синхронизма объясняется тем, что по прошествии некоторого времени после окончания переходных процессов сигнал, необходимый для поддержания режима синхронизма (постоянный ток), передается целиком через канал, содержащий ФНЧ. 

Рис. 2.3.  Структурная схема двухрежимной системы ФАПЧ. 

     Структурная схема системы ФАПЧ с двумя  параллельными каналами показана на рис. 2.3. Эта схема включает в себя обычные элементы системы ФАПЧ: подстраиваемый автогенератор (АГ), фазовый детектор (ФД), эталонный генератор (ЭГ), фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель постоянного тока (УПТ), реактивный элемент (РЭ), а также элементы, служащие для расширения полосы захвата: второй (параллельный) канал усиления и индикатор синхронизма. Второй канал содержит фильтр верхних частот (ФВЧ), частотные характеристики которого сопрягаются с характеристиками ФНЧ, и усилитель, служащий для выравнивания коэффициентов усиления обоих каналов. В усилителе второго канала содержатся разделительные межкаскадные емкости.

     Индикатор синхронизма служит для автоматического  подключения второго канала при  нарушении синхронизма системы  ФАПЧ и отключения этого канала, когда синхронизм установлен. Принцип  действия индикатора синхронизма, показанного на рис. 2.3, заключается в следующем. При нарушении синхронизма на выходе фазового детектора появляется переменное напряжение разностной частоты. Это напряжение, проходя через разделительную RC-цепочку с постоянной времени равной полосе захвата F_зах, детектируется с помощью амплитудного детектора. Постоянная составляющая с выхода детектора усиливается до величины, достаточной для срабатывания электромагнитного реле (возможно использование высокочастотных электронных ключей, принцип действия которых основывается на разнице в величинах сопротивления открытого и закрытого диодов), которое своими контактами подключает второй канал параллельно первому каналу системы ФАПЧ. Подсоединение второго канала, содержащего фильтр верхних частот, значительно расширяет полосу пропускания цепи от фазового детектора до реактивного элемента. Поэтому в системе ФАПЧ практически мгновенно устанавливается режим синхронизма. Отсутствие переменного напряжения на выходе фазового детектора приводит к размыканию контактов реле и отключению второго канала (возможно использование высокочастотных электронных ключей, принцип действия которых основывается обычно на разнице в величинах сопротивления открытого и закрытого диодов). В результате устанавливается стационарный режим работы системы ФАПЧ, в котором обеспечивается заданная фильтрация помех.

     Рассмотрим  более подробно вопросы сопряжения частотных характеристик фильтра  верхних частот с характеристиками фильтра нижних частот. При нормировании передаточных функций обоих каналов по коэффициенту передачи канала с ФНЧ на нулевой частоте условие сопряжения имеет вид

К_ВЧ(iW)+К_НЧ(iW)=1,

где К_ВЧ(iW) и К_НЧ(iW)—соответственно комплексные передаточные функции канала, содержащего ФВЧ, и канала, содержащего ФНЧ.

     Для разрабатываемого устройства частота среза ФВЧ должна равняться 0.5Гц, а частота среза RC-фильтра, стоящего в индикаторе синхронизма должна быть равной полосе захвата системы ФАПЧ без ФНЧ.

     С выхода смесителя полезный сигнал с  частотой 100кГц±DF в случае необходимости усиливается и поступает на частотно-импульсный детектор. Использование детектора данного вида объясняется наличием у него прямолинейной характеристики преобразования, благодаря чему на его выходе не будет нелинейных искажений. Частотно-импульсный детектор преобразует информативное изменение частоты в изменение напряжения.

     После детектора еще раз усиленный  усилителем сигнал поступает на АЦП  с частотой дискретизации 250Гц. После  АЦП полезный сигнал уже в виде двоичного кода подается на интерфейсный блок, позволяющий сопрягать проектируемое устройство с персональной ЭВМ.

     Блок  питания обеспечивает электопитанием все узлы устройства сфигмографии. 
 
 
 
 

2.3. Обоснование и  расчет принципиальной  схемы 

функциональных  узлов устройства сфигмометрии 

2.3.1. Кварцевый генератор

     Кварцевый генератор (рис. 2.4) предназначен для  задания средней рабочей частоты 10МГц измерительного преобразователя. Он собран по схеме емкостной трехточки, и в качестве индуктивности используется кварцевый пьезоэлемент с модулированным межэлектродным зазором. Для обеспечения самоэкранирования пьезоэлемента генератор построен таким образом, что один электрод кварцевого резонатора соединен на корпус. Рабочая точка транзистора задается фиксированным током базы, так как в случае задания рабочей точки фиксированным напряжением эмиттер–база резистивный делитель зашунтировал бы пьезоэлемент, в результате чего уменьшилась бы его добротность.

     Воспользуемся методикой О.В. Алексеева для расчета  кварцевого автогенератора (АГ) [16].

     Исходя  из поставленного для расчета задания, произведем выбор транзистора таким образом, чтобы обеспечить его практически полную безинерционность на частоте генерации 10МГц. Выбран СВЧ-транзистор КТ368А с такими параметрами:

• максимальное постоянное напряжение коллектор–эмиттер U_кэmax=15В;
• граничная частота f_гр=1100МГц;
• статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h₂₁=100;
• допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р_доп=0.225Вт;
• максимальный импульсный ток коллектора I_киmax=60мА;
• напряжение запирания по идеализированной характеристике U_отс=0.7В;
• сопротивление базы транзистора в режиме малого сигнала r_б=6Ом.

Считаем, что выходная мощность сигнала  Р_вых=0.5мВт.

Кварцевый резонатор (КР) выбран с такими параметрами:

• частота первой гармоники f_кв=10МГц;
• активное сопротивление R_кв=10Ом;
• статическая емкость С₀=4пФ;
• добротность Q=10⁵;
• допустимая рассеиваемая мощность Р_доп=2мВт;
• d=w_квR_квС₀»2.5мс.

     Из  условия работы в облегченном  режиме выбираем:

• амплитуду импульса коллекторного тока i_км£(0.2¸0.4)I_киmax=20мА;
• постоянную составляющую напряжения U_к0£(0.3¸0.5)U_кэmax=5В.

     Исходя  из рекомендаций методики, выбираем угол отсечки q=90°. Разность между частотой АГ и частотой последовательного резонанса КР примем порядка 100Гц и рассчитаем обобщенную расстройку

.

     Далее находим емкость колебательной системы

пФ,

обеспечивающую  баланс амплитуд при найденном значении обобщенной расстройки a.

Ом ;

А/В ;

Рис. 2.4. Кварцевый генератор.

      МГц ;

      ;

      ;

      А/В ;

      ;

      условие баланса  амплитуд выполняется. Получаем два  возможных значения k, обеспечивающих амплитудный режим работы генератора:

      .

     Определим, выполняется ли условие Р_кв<P_доп при меньшем значении k. Так как    мА, то

    мВт

     Так как условие выполняется, то принимаем  k=k₂=0.3. Отсюда находим

      пФ,  пФ.

Берем ближайшие номиналы С₃=1000пФ и С₂=3300пФ, тип КМ-5б-П33-50В.

     Произведем  расчет по постоянному току. Зная амплитуду  импульсов коллекторного тока и  угол отсечки, находим:

      мА ,

      мА ,

      В .

     Фаза  сопротивления колебательной системы

рад.

      Колебательная мощность мВт .

     Амплитуда напряжения на коллекторе

      В .

     Потребляемая  и рассеиваемая транзистором мощности

      мВт ,

      мВт<Р_{доп .}

     Постоянная  составляющая базового тока мА .

     Постоянная  составляющая напряжения на базе

     

     Найдем  сопротивление в цепи эмиттера:

   Ом.

 Примем  R₃=1.1кОм, тип МЛТ-0.25.

Сопротивление в цепи базы

      Ом.

     Примем  R₁=180кОм, тип МЛТ-0.125.

     В цепи пьезоэлемента ставим разделительную емкость С₁=1000пФ, тип КМ-5б-П33-50В. На выходе генератора ставим разделительную емкость С₄=0.1мкФ, а по цепи питания ставим блокировочную емкость С₅=0.1мкФ, тип КМ-6а-Н90-25В.