Радиоприемные устройства (стр. 18 )

5. Построить график частотной характеристики частотного детектора, выполненного на основе расстроенного контура и диодного детектора (Блок I), по табл. 5.

6. Построить график частотной характеристики частотного детектора, выполненного на основе фазового детектора с одиночным контуром (Блок II), по табл. 6.

7. Построить график частотной характеристики дробного частотного детектора (Блок III) по табл. 7.

8. Построить график зависимостей по табл. 8.

9. Вычислить коэффициенты передачи частотных детекторов.

5.7. Содержание отчета по лабораторной работе

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Описание эксперимента и схемы исследуемых цепей.

4. Результаты эксперимента (расчеты, таблицы, графики зависимостей, диаграммы).

5. Анализ результатов (сравнение экспериментальных результатов с расчетными и теорией).

6. Выводы по работе.

5.8. Контрольные вопросы и задания

1. Для чего предназначен частотный детектор?

2. Какие функции выполняют частотные детекторы?

3. Что такое детекторная характеристика частотного детектора? Приведите идеальную и типичную реальную детекторные характеристики.

4. Дайте определение крутизны и раствора детекторной характеристики.

5. Сформулируйте требования к крутизне и виду детекторной характеристики.

6. С помощью каких цепей можно реализовать частотный детектор?

7. Поясните принцип построения частотного детектора на основе преобразования ЧМ в АМ.

8. Приведите общую структурную схему частотного детектора и детекторную характеристику частотного детектора с преобразованием частотной модуляции в амплитудную на основе катушки индуктивности.

9. Приведите схему частотного детектора и детекторную характеристику частотного детектора с преобразованием частотной модуляции в амплитудную на основе расстроенного контура.

10. Приведите принципиальную схему балансного диодного частотного детектора с взаимно расстроенными контурами и принцип ее работы.

11. Поясните принцип построения частотного детектора с использованием фазосдвигающей цепи.

12. Приведите принципиальную схему дробного частотного детектора и принцип ее работы.

13. Приведите функциональную схему частотного детектора на основе аналогового перемножителя и поясните принцип ее работы.

Лабораторная работа № 6

ФАЗОВАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ

Цель работы: экспериментальное исследование процесса фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ): 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.

6.1. Краткие теоретические сведения

Системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) называется совокупность функциональных узлов, обеспечивающих автоматическое регулирование частоты управляемого генератора в соответствии с частотой колебаний, принимаемых за эталон.

В зависимости от принципа, на основе которого вырабатывается сигнал ошибки, системы АПЧ делят на два класса. В системе частотной АПЧ сигнал ошибки определяется отклонением преобразованной частоты сигнала fпр = fг – fc от резонансной частоты настройки контура усилителя промежуточной частоты (УПЧ) fпр0, в качестве измерительного элемента выступает частотный детектор, центральная частота настройки которого совпадает с частотой настройки УПЧ. В системе фазовой АПЧ сигнал ошибки определяется разностью фаз колебаний промежуточной частоты и опорного генератора, а в качестве измерительного элемента выступает фазовый детектор.

Структурная типовая схема РПрУ с системой ФАПЧ приведена на рис. 6.1. Основными элементами системы ФАПЧ являются опорный генератор (ОГ) или эталонный генератор (ЭГ), фазовый детектор (ФД), фильтр низких частот (ФНЧ), усилитель постоянного тока (УПТ), управляемый элемент (УЭ) и перестраиваемый гетеродин. В РПрУ с системой ФАПЧ управляющее напряжение Uупр зависит от сдвига фаз Фпр между напряжениями ОГ Uоп и преобразованного сигнала Uпр. В отсутствие шумов в такой замкнутой системе АПЧ устанавливается стационарный режим, при котором частота перестраиваемого гетеродина такова, что частоты преобразованного сигнала fпр=fпр0 и опорного генератора fоп = fпр0 равны, а разность фаз этих напряжений постоянна Фпр(t) = Фпр. ост. При этом обеспечивается синхронная работа опорного генератора и перестраиваемого гетеродина, а, следовательно, и слежение за фазой преобразованного сигнала.

Рис. 6.1. Структурная схема РПрУ с системой ФАПЧ

Система ФАПЧ может работать в разных режимах. Например, если частоты ОГ и подстраиваемого генератора (ПГ) равны и эффект медленных изменений параметров подстраиваемого генератора, определяющих его частоту, в среднем полностью компенсируются 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 подстраиваемого генератора, соответствующих наибольшему и наименьшему напряжениям на выходе фазового детектора.

Возможен и другой режим работы системы, при котором в среднем разность частот вырабатываемых генераторами сигналов равна нулю, а разность их фаз периодически изменяется. Этот режим используется крайне редко, называется квазисинхронизмом.

Третий режим работы системы ФАПЧ – режим биений, графическое изображение которого приведено на рис. 6.2. Его характерной особенностью является непрерывное нарастание в среднем разности фаз подстраиваемого и эталонного генераторов. Режим биений всегда наблюдается в тех случаях, когда начальная расстройка подстраиваемого генератора относительно ОГ больше полосы удержания, а напряжение на выходе фазового детектора меняется периодически со средней частотой:

, (6.1)

где расстройка в начальный момент между частотами опорного генератора и преобразованного сигнала,

-максимально возможная расстройка между колебаниями ОГ и преобразованного сигнала которую может скомпенсировать цепь АПЧ (Полоса удержания ).

Рис. 6.2. Режим биений в системе ФАПЧ

Переходное состояние системы, при котором режим биений переходит с течением времени в режим удержания или квазисинхронизма, называется режимом захвата. Под полосой захвата понимают область начальных расстроек, в которых при любых начальных условиях устанавливается режим удержания (или квазисинхронизма).

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.

Как видно на рис. 6.3, в системах ФАПЧ могут быть устойчивые и неустойчивые изменения разности частот. Устойчивое состояние наступает при изменении начальной расстройки от большего значения к меньшему - сплошная линия, а неустойчивое - наоборот - пунктирная линия. Прямая штрихпунктирная линия через начало осей координат соответствует разомкнутой цепи ФАПЧ.

Рис. 6.3. Регулировочные характеристики реальной ФАПЧ

Важной характеристикой системы ФАПЧ является время установления в ней указанных режимов работы. В системе ФАПЧ первого порядка время протекания переходных процессов после начального скачка частоты определяется широкополосностью элементов системы и периодом запаздывания в них. Все эти элементы имеют малую инерционность, поэтому система ФАПЧ в этом случае может входить в синхронизм практически мгновенно.

Наличие ФНЧ необходимо в системах, где действуют шумы или когда форма синхронизируемых колебаний отличается от гармонической. В этих случаях побочные управляющие воздействия, вырабатываемые ФД, действуя на УЭ, вызывают паразитные отклонения частоты и фазы перестраиваемого гетеродина. Однако чрезмерное увеличение постоянной времени ФНЧ вызывает замедление процессов установления устойчивой работы системы ФАПЧ.

6.2. Описание лабораторной установки

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 пропорционально-интегрирующего 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. 6.4. Сверху изображена функциональная схема установки. В нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы, в правом поле – цифробуквенный дисплей с отображением пунктов работы и результатов измерений исследуемых параметров системы ФАПЧ.