Главная Промышленная автоматика.

Схемы фазовой автоподстройки частоты

Электронные устройства оперируют с информацией, представленной в виде электрических величин, Эта информация может быть выражена различными способами: в виде напряжения, тока или интервала времени между двумя событиями, а также путем модуляции несущего сигнала переменного тока по амплитуде, частоте или фазе.

Временные представления информации, т. е. в форме интервала времени, частоты или фазы, имеют ряд преимуществ. Информация может быть передана между двумя пунктами с малыми потерями в точности при воздействии помех. Стандартами самой высокой точности являются кварцевые генераторы и атомные часы.

Одна из причин недостаточного внимания разработчиков к использованию частотной и фазовой модуляции в качестве переносчика информации состоит в том, что для обработки этих сигналов требовались более сложные схемы, чем при обработке сигналов, представленных в виде напряжения или тока. В последнем случае разработка сложных систем в значительной степени упрощалась за счет использования недорогих стандартных блоков, таких, как операционные усилители и цифровые схемы. В настоящее время имеются универсальные стандартные блоки для обработки сигналов частотного представления - монолитные схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

9.1. ВВЕДЕНИЕ

Идея фазовой автоподстройки частоты была впервые предложена де Беллесизом 40 лет назад [4]. Де Беллесиз изобрел устройство для синхронного приема радиосигналов, которое содержало лишь местный генератор, смеситель и усилитель низкой частоты. Генератор был точно настроен на частоту несущей. При отсутствии модуляции несущей по частоте промежуточная частота



на выходе была равна нулю. Однако, когда несущая подвергалась модуляции и ее частота менялась, на выходе смесителя появлялся демодулированный сигнал, содержащий информацию, переносимую модулированным сигналом.

Принципиальным недостатком приемника, предложенного де Беллесизом, являлась практическая невозможность достижения идеальной синхронизации между несущей частотой и частотой местного генератора. Любая расстройка частот безнадежно искажала информацию. Для обеспечения нормальной работы сигнал местного генератора должен был захватываться по частоте и фазе передаваемым сигналом с такой степенью синхронизации, которая в то время была практически недостижима. По этой причине в качестве способа демодуляции был принят более сложный, но легче осуществимый на практике метод супергетеродинного приема.

Эти ранние исследования де Беллесиза привели к появлению многочисленных систем, использующих схемы фазовой автоподстройки частоты, которые были предназначены для преодоления практических ограничений, обрекавших на неудачу предыдущие попытки. Несколько областей, в которых была достигнута успешная работа схем фазовой автоподстройки, включают в себя синхронизацию сигналов горизонтальной и вертикальной развертки в телевизионных приемниках, устранение допплеровского сдвига частот при слежении за искусственными спутниками, стабилизацию частоты в клистронных генераторах, а также фильтрацию помех в системах связи. Фактически во всех этих случаях применения ФАПЧ использовались разнообразные тонкие схемные методы, основанные на обеспечении требуемой стабильности частоты с помощью сложных фильтров с индуктивной настройкой. Другая потенциальная область применения ФАПЧ находится там, где сочетание этих методов с дискретными элементами оставалось либо слишком сложным, либо слишком дорогостоящим и оказалось оправданным только при появлении устройств ФАПЧ на интегральных микросхемах.

Последние достижения в области устройств фазовой автоподстройки на ИМС привели к снятию многих ограничений практического характера, которые не позволяли использовать большую часть этих простых и прямых в аппаратурном отношении методов.

Теперь стало практически реализуемым и экономически вы- годным синхронное детектирование без применения настроенных контуров. Кроме того, применение устройств ФАПЧ стало теперь экономически оправданным в таких смежных областях, как синтезаторы частот, следящие фильтры, регулировка и управление скоростью двигателя, модемы, тональные дешифра-



торы и приемники сигналов с частотной модуляцией. В данной главе описываются принципы работы устройств ФАПЧ и рассматривается ряд их применений.

G.2. ПРИНЦИПЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ

Термин «фазовая автоподстройка частоты»), несомненно, точен по смыслу, но для человека, который прежде не сталкивался с подобными схемами, он может быть не вполне ясным. Однако общий принцип нетрудно понять. Сначала рассмотрим, что означает понятие «контур», а затем перейдем к выяснению значения термина «захват фазы».

Смеситель

Вход

Ошибка

(Вход-Офатная связь)

Обратная связь

Усилитель

Выход

Фазовый детектор

Вход-

НЧ -фильтр

Сигнал ошибки

Генератор,

управляемый

напряжением

Выходная частота

Обратная связь

Фиг. 9.1. Сравнение типовых контуров с обратной связью, а-обычная схема контура с обратной связью; б-схема фазовой автоподстройкн частоты

На фиг. 9.1, G показана общая схема, которая подходит для многих систем управления - электронных, механических и даже органических (например, человеческое тело). Входной сигнал является функцией желаемого выходного сигнала. Если в данный момент выходной сигнал не равен желаемому значению, смеситель вырабатывает сигнал ошибки, который усиливается к изменяет выходной сигнал в направлении уменьшения этого сигнала ошибки. Схемы ФАПЧ работают аналогично. Рассмотрим простую схему фазовой автоподстройки (фиг. 9.1,6). Если фазовый детектор и низкочастотный фильтр рассматривать в

) В оригинале «phase-Iocked 1оор», что дословно означает «контуры для захвата фазы». - Прим. перев.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 [120] 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144

0.0044