Главная » Книги и журналы

1 ... 19 20 21 22 23 24 25

статической характеристики регулятора частоты на этом участке называется величина

упр

(11.4)

Как правило, за пределами начального участка крутизна постепенно уменьшается и становится равной нулю. Возможный диапазон управления частотой определяется граничными значениями изменения частоты гетеродина Д/ и Д/га и управляюш,его напряжения t/ynpi и и



Рис. 11.4. Статическая характеристи- Рис. 11.5. Статическая характеристи ка РЧ гетеродина. кя И.Ч (ЧШ.

ка ИЭ (ЧД).

Статической характеристикой измерительного элемента называется зависимость в установившемся режиме напряжения t/p, развиваемого на его выходе, от величины отклонения частоты А/п сигнала (в данном случае промежуточной) от номинального значения /о„:

t/p=(A/n). (11-5)

Вид статической характеристики определяется частотной характеристикой УПЧ и статической характеристикой частотного детектора. Если полоса пропускания УПЧ, входящего в состав измерительного элемента, значительно больше полосы частот между экстремумами характеристик частотного детектора (как чаще всего и бывает на практике), то характеристика измерительного элемента определяется в основном характеристикой ЧД.

Крутизной статической характеристики измерительного элемента (частотного детектора) на начальном линейном участке называется величина

5чд =

(11.6)

В зависимости от схемы частотного детектора и выбранной полосы пропускания УПЧ характеристика ИЭ может быть различной (рнс. 11.5). За начало отсчета по шкале частот на характеристике

частотного детектора взята точка, соответствующая номинальному значению частоты настройки частотного детектора /чд. В системах АПЧ, поддерживающих промежуточную частоту сигнала постоянной, эта частота совпадает с номинальным значением промежуточной /чд = /оп- Пределы начального линейного участка характеристики определяются граничными значениями отклонения промежуточной частоты А/п1 и А/п2 и напряжения Ui и Ui (рис. 11.5). За пределами этого участка крутизна постепенно падает, а затем может менять знак на обратный (кривая 2). Если в начальный момент (в момент включения системы АПЧ) частоты сигнала и гетеродина изменяются на постоянную величину А/о нач и А/г нач. то и промежуточная частота в этот момент будет отличаться от своего номинального значения на величину начальной расстройки

Д/нач - Д/с нач Д/г нач- (П'Т)

В результате подстраивающего действия частотной системы АПЧ частота гетеродина стремится к тому значению, при котором промежуточная частота будет мало отличаться от номинальной. Для статической АПЧ в установившемся режиме промежуточная частота сигнала / у отличается от номинальной /оп на остаточную ошибку

Д/о

Д/о = Д/оп =/пу -/оп- (11-8)

Отношение величин начальной расстройки А/нач и остаточной ошибки А/о характеризует эффективность работы системы АПЧ и называется коэффициентом подстраивающего действия частотной системы АПЧ [1]

Q= А/нач/Д/о- (11-9)

Установившийся режим определяется точкой пересечения характеристик частотного детектора и регулятора частоты гетеродина (а на рис. 11.6), построенных в системе координат Д/п, t/ynp- При этом характеристика частотного детектора проходит через начало координат А/п = О, Uy-p = О и ее ординаты увеличены в Купт (KvDT - коэф<фициент усиления УПТ) раз, а характеристика регулятора частоты смещена по оси абсцисс на величину начальной расстройки А/нач- При малых' начальных расстройках, когда точка пересечения а не выходит за пределы линейных участков этих характеристик, коэффициент подстраивающего действия равен

Q = 1 + 15чд5р.ч1/(упт. (11-10)

Из рис. 11.6 и формул (11.7) и (11.8) видно, что установившееся значение остаточной ошибки при этом линейно зависит от начальной постоянной расстройки. Зависимость остаточной ошибки от начальной расстройки Д/о = у (Д/нач) при больших расстройках можно определить графоаналитическим методом [11.

Если постепенно увеличивать начальную расстройку .(рис. 11.6, а), то остаточная ошибка вначале остается небольшой,

425



а затем, так как характеристики пересекаются на склоне характеристики частотного детектора, возрастает (рис. 11.6,6) значительно. При больших расстройках подстраивающее действие АПЧ.уменьшается. Характеристика А/ = у (А/нач) асимптотически приближается к пунктирной прямой, показывающей связь между А/о и А/нач при бездействующей системе АПЧ, когда А/ = А/нач- Для частотного детектора со статической характеристикой / на рис. 11.5

характеристика А/о = у (А/нач) при больших расст-ройках проходит параллельно пунктирной линии.

Полосой схватывания Пох (рис. 11.6,6) называют область отклонений (между абсциссами точек Ai и А) промежуточной частоты сигнала от номинального значения, внутри которой обеспечивается эффективное подстраивающее действие системы АПЧ, если предварительно система не находилась в режиме подстройки.

Полосой удержания Пу называют область (между абсциссами точек Bi и Б) отклонений промежуточной частоты сигнала, внутри которой обеспечивается эффективное подстраивающее действие системы АПЧ, если предварительно система на-ходится в режиме подстройки. Полоса схватывания обычно меньше полосы удержания 11сх< Пу, а в некоторых случаях они равны. Для системы АПЧ, имеющей частотный детектор с характеристикой, соответствующей кривой 2 на рис. 11.5, полоса удержания больше полосы схватывания (рис. 11.6), так как в режиме слежения точка устойчивого равновесия а будет находиться на начальном участке характеристики частотного детектора и при расстройках, превышающих Д/нач1, но меньших А/нач2-

Временем установления переходного процесса /у, называется, временной интервал, который отсчитывается от момента изменения частоты сигнала на входе и по истечении которого изменение промежуточной частоты отличается от своего установившегося значения на 10%, т. е. А/ = 1,1А/ .

Переходные процессы в системе АПЧ наблюдаются при быстрых изменениях частот сигнала или колебаний гетеродина. Предполага-426


Рис. 11.6. Зависимость остаточной ошибки от начальной расстройки.

ется, ЧТО длительность этих изменений значительно меньше длительности переходного процесса. Длительность переходного процесса зависит от вида и параметров инерционных цепей системы АПЧ, а также в значительной степени определяется величиной коэффициента подстраивающего действия (Q) системы АПЧ. Инерционными цепями могут быть ЧД, ФНЧ, РЧ. С точки зрения быстродействия постоянные времени этих цепей необходимо выбирать возможно меньшими, а Q, наоборот, большим. При большом Q время установления в замкнутой цепи АПЧ во много раз меньше, чем время установления переходных процессов в инерционных цепях. Однако уменьшение постоянных времени инерционных звеньев и увеличение коэффициента подстраивающего действия ограничены условиями обеспечения устойчивости, а также допустимым расширением спектра частот колебаний гетеродина под действием помех, проникающих на регулятор частоты гетеродина. Особое значение приобретают вопросы устойчивости систем АПЧ, в которых имеется несколько инерционных цепей с близкими по величине постоянными времени, или цепи (контура УПЧ и частотного детектора), создающие запаздывание сигналов.

При проектировании системы АПЧ необходимо произвести анализ устойчивости системы или выбрать параметры ее такими, чтобы она была устойчивой. Система АПЧ устойчива, если после устранения возмущающего воздействия она возвращается в состояние равновесия. Система АПЧ возбуждается на какой-то частоте Qo, называемой собственной, если сдвиг фазы ф в цепи 180° и коэффициент передачи на этой частоте не меньше единицы (/((о) > !)

Учитывая, что параметры системы АПЧ могут быть нестабильными, необходимо обеспечить, чтобы система АПЧ находилась далеко от неустойчивого состояния, т. е. имела запас устойчивости. В противном случае при случайном изменении усиления или сдвига фаз система может стать неустойчивой.

Запасом устойчивости по фазе Афуо назьшается тот дополнительный сдвиг фаз, который нужно ввести в цепь на частоте, при которой коэффициент передачи равен единице (на частоте среза Qcp), чтобы сделать систему АПЧ неустойчивой.

Запасом устойчивости системы АПЧ по амплитуде А/С уст называется то дополнительное усиление, которое нужно ввести в систему на частоте Qo. при фазовом сдвиге п, чтобы сделать систему неустойчивой. На практике известно, что достаточно иметь запас устойчивости по амплитуде А/Суст = 6... Ю дБ, а по фазе Афуст = 30 ... ... 40

Устойчивость системы АПЧ можно анализировать, пользуясь логарифмическими амплитудно-частотной (ЛАХ) и фазочастотной (ЛФХ) характеристиками, при этом цепь АПЧ должна быть разомкнута между выходом УПТ и входом регулятора частоты (сечение а-а' на рис. 11.2). ЛАХ и ЛФХ разомкнутой цепи АПЧ с коэффициентом подстраивающего действия Q на круговой частоте Q, состоящей из п отдельных звеньев, описываются соответственно выраже-



K = 201g/C(Q) = 20lg(Q-l)+ 2 201gt/,(). (Н-Ю

(р(Й) = S (ft (Q), (11.12)

где 201g у i (Q) = 20 Ig Kt (QVKt (0) - нормированные ЛАХ отдельных звеньев цепи АПЧ.

Сначала строят логарифмические характеристики отдельных звеньев, откладывая по оси абсцисс Ig (Q) (единицей измерения частоты Q в логарифмическом масштабе является декада), а по оси ординат - коэффициенты передачи, выраженные в децибелах, и сдвиг фаз, выраженный в градусах. Сложив ординаты характеристик отдельных звеньев, можно найти ординаты ЛАХ цепи АПЧ (рис. П.7).


ю

Ю' Я,рая1с

и в

Рис. 11.7. Логарифмические частотные характеристики системы АПЧ, имеющей <?=I0I и содержащей две интегрирующие /?С-цепи с Тф = 1 с и Тф2=10 мс.

В технических заданиях на проектирование систем АПЧ гетеродинов супергетеродинных радиоприемных устройств непрерывных сигналов могут быть заданы следующие исходные данные:

- номинальное значение частоты принимаемых сигналов /рс ,

- изменение частоты сигнала Д по каким-либо причинам на величину А/с = /с - /ос;

- стабилизируемая промежуточная частота / ;

- допустимая остаточная ошибка системы АПЧ А/;

- максимально допустимое значение длительности переходного процесса у, при перепаде частоты сигнала скачком на А/нач.

- дисперсия флюктуации частоты гетеродина о\ привоз-действии флюктуационной помехи, сопровождающей сигнал, при заданном их отношении сигнал/помеха на входе у = Vcla\/2.

Кроме того, при проектировании АПЧ гетеродина используются и другие исходные данные, полученные при проектировании приемного устройства. Типовая структурная схема части супергетеродинного приемника, включающей систему АПЧ, приведена на рис. 11.2. Из технических характеристик и параметров, которыми обладает гетеродин, выбранный при проектировании приемника, для расчега АПЧ используются следующие; 428

-статическая характеристика регулятора частоты (рис. 11.4)i -крутизна статической характеристики регулятора частоты Sp, (11.4);

- граничные значения изменения частоты гетеродина Д/ jj Д/гз и управляющего напряжения (/ynpi и t/ynp2, определяющие со* ответственно диапазон перестройки частоты гетеродина 2А/г = А/п + А/гг и диапазон изменения управляющего напряжения

упр = fynpa ynpii

~ номинальное значение частоты гетеродина и напряжение (опорное напряжение) (/ р на регуляторе частоты;

- нестабильность частоты гетеродина АД-

Если система АПЧ работает по принимаемому сигналу, то ее частотный детектор подключается к УПЧ основного канала приема или к его части. При этом перед смесителем можно использовать усилитель высокой частоты.

Если приемник совмещен с передатчиком, то в системе АПЧ может использоваться самостоятельный смеситель, на вход которого подается часть мощности передатчика. Чаще всего этот смеситель аналогичен основному. В том и другом случае из расчета приемного канала известен уровень сигнала на входе измерительного элемента, а следовательно, и на входе УПЧ ([/ вх)- Полоса пропускания УПЧ, входящего в состав АПЧ, может выбираться при проектировании АПЧ или основного канала приема.

Задача проектирования АПЧ заключается в выборе и расчете параметров системы АПЧ и отдельных ее устройств (УПЧ, ЧД, ФНЧ, УПТ).

Изменения частот принимаемых сигналов и гетеродина служат исходными данными для расчета начальной расстройки и полосы схватывания системы АПЧ. Допустимая остаточная ошибка системы АПЧ (А/о) задается в технических заданиях, исходя из допустимого расширения полосы пропускания приемника. Остаточная ошибка получается тем меньше, чем больше коэффициент подстраивак -щего действия Q. Однако сам коэффициент Q ограничен, так как нельзя обеспечить сколь угодно большие коэффициенты передачи звеньев АПЧ, а, кроме того, при больших Q система может оказаться неустойчивой.

Частоты гетеродина и промежуточная выбираются при проектировании приемного устройства в целом исходя из заданной номинальной частоты сигнала. Однако следует учитывать, что при сравнительно низких промежуточных частотах возникает опасность захвата системой сигнала с частотой, близкой к частоте зеркального канала, особенно в том случае, когда в АПЧ применяется поиск, осуществляемый в сравнительно широком диапазоне частот. При малых промежуточных частотах в системах АПЧ приходится предусматривать защиту от захвата сигналов с частотами зеркального канала.



Расчет параметров непрерывной частотной системы АПЧ

Так как при расчете АПЧ в приемном устройстве была выбрана нижняя настройка гетеродина (/г < /о), то после смесителя мгновенное значение изменения промежуточной частоты, вызванное изменением частот сигнала и гетеродина, будет равно

А/п-А/о-А/г. (П. 13)

Известно, что изменения частот сигнала и гетеродина могут иметь большое число составляющих, обусловленных разными причинами. Часть этих изменений носит случайный характер, а часть - регулярный. Учет всех этих нестабильностей позволяет определить то максимальное значение изменения промежуточной частоты А/птах, которое в расчетах АПЧ в каждом конкретном случае используется как начальная расстройка А/на, = А/п ах- Если максимальные значения изменений частот сигнала А/о max и гетеродина Д/г max имеют противоположные знаки и носят регулярный характер, то

А/нач = А/п max =1 А/о max I + I А/г maxl- (И-14)

Если известны дисперсии случайных изменений частот сигнала Стд, и гетеродина Стд,, то за начальную расстройку можно принять

А/на, = 1>5/ 1/0+ Ч . (11.15)

Начальная расстройка А/нач и заданная ошибка АПЧ А/о позволяют определить требуемое значение коэффициента подстраивающего действия Qt частотной системы АПЧ.

Чтобы обеспечить заданную в техническом задании остаточную ошибку Д/о при начальной расстройке Д/нач. коэ(х$)ициент подстраивающего действия системы АПЧ должен быть равен (11.9)

Q, = Д/нач/А/о. (11-16)

Для выбранного гетеродина известна крутизна статической характеристики регулятора частоты Sp, (11.4). На основании рассчитанного коэффициента подстраивающего действия Qj можно определить требуемое значение крутизны частотного детектора системы АПЧ

5чд, = (а,-1)/5р,. (11-17)

В качестве частотного детектора системы АПЧ могут быть выбраны различные варианты этих детекторов, описание и расчет которых приведены в гл. 9. Методика расчета частотного детектора АПЧ в основном такая же, как для детектора канала приема. Однако выбор некоторых параметров имеет свою специфику.

Основные соотношения для расчета параметров АПЧ приведены в табл. 11.1.

При проектировании системы АПЧ целесообразно обеспечить максимальную крутизну характеристики 8ча шах частотного детектора, так как в этом случае для получения требуемой крутизны 430

и

s S

a

w

о

с В

Ч

in o*

л

in о

с В

ч

а

В

а

В

тз к О

ч к

о

с Б

СЧ CD

о ч

я к

Ч

е

и

о, со ь6

и

к

о

Ч

ч

(N3*

us о

Ч

О л

Л

Е

ч

в

ь Её I S

о x 3

со а

н

1 Ч Р.

S о

щ и

11 °

к

Ш

С

о E я a ffi

G 2

& 0 в

Ч

I о S



5чдт = 5чд max Кут потребуется УПТ с минимальным коэффициентом усиления Купт- При этом необходимо проверить, обеспечиваются ли требуемые полосы удержания и схватывания, которые должны быть не меньше удвоенной начальной расстройки Пу Пох > 2А/нач- Расчет системы АПЧ при использовании ЧД с максимальной крутизной выполняется в следующем порядке.

Для частотного детектора выбираются те же транзисторы (высокочастотные и сверхвысокочастотные), что и для УПЧ приемника. Максимальное значение амплитуды тока сигнала промежуточной частоты ограничено током насыщения /нас и равно

0,5/нас. (11.18)

Выбрав для частотного детектора транзистор, по справочнику находят /нас и g-228. В частотном детекторе используются высокочастотные диоды, как и в детекторе приемного канала. Коэффициент передачи диодного детектора Кд зависит от сопротивления нагрузки частотного детектора /?нчд, которое для непрерывной системы АПЧ выбирается в пределах /?нчд = 200 ... 500 кОм, й от внутреннего сопротивления /?гд диода, которое как и проходную емкость Сакд находят по справочнику. При этом коэффициент передачи Кд и входное сопротивление Rx д детектора можно найти из графика, приведенного на рис. П.8, или при /?нчд/-,д > 50-100 приближенно по формулам


Рис. 11.8. Графики для расчета Кя и Rbi д диодного детектора.

/(д COS (180f3/?,дп ? чд), /?вх д /?нЧд/2.

(11.19) (11.20)

Емкость контура выбирается не менее нескольких десятков пи-кофарад. На меньшую емкость Ск заметно влияют емкости транзисторов и монтажа, не обладающие достаточной стабильностью. Кроме того, при выборе емкости контура необходимо руководствоваться условием обеспечения устойчивости каскадов УПЧ, в качестве нагрузки которых используются контуры ЧД.

Минимальное эквивалентное затухание контуров dg min зависит -от собственного затухания контуров (d да 0,02 ... 0,007) и затуха-432

НИИ, вносимых выходным сопротивлением и входным сопротивлением детектора (dsx)-

1 /

транзистора (й^ых)

da mln = + вых + <вх d+

2ячдС„

вха

(11.21)

Полосу схватывания АПЧ при максимальной крутизне ЧД определяем из табл. llcl. Если рассчитанная полоса схватывания для выбранного ЧД, обеспечивающего максимальную крутизну характеристики, больше требуемой Ucxs > Псх т, то определяют максимальную крутизну статической характеристики ЧД по соответствующим формулам табл. 11.1.

Прн выполнении условия 5чдтах>5чдт в цепи АПЧ не применяют УПТ. Если 5чд шах < 5чд т. то в цепи АПЧ применяют усилитель постоянного тока с минимальным коэффициентом усиления

/СУПТ шШ = 5чДт/5чД шах. (11.22)

Однако рассчитанная таким образом полоса схватывания может оказаться меньше требуемой. Тогда частотный детектор проектируют так, чтобы в нем реализовалась не максимальная крутизна характеристики, а полоса частот между экстремумами (полоса пропускания) частотной характеристики, обеспечивающая требуемую полосу схватывания. Это достигается расширением полосы пропускания между экстремумами. Полосы частот между экстремумами (Пи), при которых обеспечиваются требуемые полосы схватывания, для первых двух ЧД можно оценить по фор.мулам табл. 11.1.

Для ЧД на расстроенных контурах с последовательным резонансом полоса схватывания зависит только от свойств (§22э и /к) транзистора, к которому подключены контуры ЧД, Поэтому в нем не удается менять полосу схватывания, изменяя полосу частот между экстремумами характеристики.

Для частотных детекторов, у которых требуемая полоса схватывания зависит ет полосы частот между экстремумами П^, крутизна характеристики будет определяться эквивалентным затуханием

4 = П„ чд. (11.23)

При этом следует помнить, что для частотного детектора с двумя связанными контурами параметр связи между ними выбирается равным единице

= kjd,=l. (11.24)

А так как практически трудно реализовать Лев > 0.1 0.2. то затухание контуров

= ga к /2л/чдСн < 0,1 ... 0,2. (11.2.5)

Требуемое затухание можно обеспечить, либо выбирая емкость контура Ск, -яибо вводя дополнительный шунт, от величины которого зависит эквивалентная проводимость контура к-



Рассчитанные значения эквивалентных затуханий dg контуров позволяют определить крутизну характеристик частотных детекторов 5чд.

Коэффициент усиления УПТ Кутп рассчитывается по формуле

Kvm = 5чдт/5чд. (11.26)

Напряжение сигналов промежуточной частоты на базах тран-1J сторов, к которым подключены контура,

t/БЭ = /к/Г21э|, . (11.27)

где 1219прямая проводимость транзистора в схеме с ОЭ, Если б^Бэ > Un вх. то перед частотным детектором используется дополнительный УПЧ, с минимальным коэффициентом усиления

/Супчр = иьэ/Un вх. (И.28)

Для стабилизации крутизны статической характеристики ЧД при изменении уровня входного сигнала в его транзисторах используется режим ограничения, для обеспечения которого коэффициент усиления УПЧ следует выбирать в 2-3 раза больше расчетного: /Супч = (2-3) /Супч р . Чтобы частотная характеристика УПЧ заметно не влияла на полосу схватывания, полосу пропускания УПЧ выбирают не меньше требуемой полосы схватывания, т. е, Пупч > Выбранная полоса пропускания Пупч и требуемое

значение коэффициента усиления Л^упч являются исходными для расчета УПЧ АПЧ. Методика расчета УПЧ приведена в гл. 5.

Тип фильтра и постоянные времени его звеньев выбирают так, чтобы длительность переходного процесса не превышала заданной величины уч, флюктуации промежуточной частоты были меньше допустимых АРш и при выбранных параметрах в системе АПЧ выполнялись условия устойчивости (с учетом необходимого запаса устойчивости). Если начальная расстройка A/ aq не превышает пределов линейных участков характеристики частотного детектора (приближенно А/нач < 0.5Пи) и регулятора частоты гетеродина, то максимально возможную величину постоянной времени ФНЧ, выполненного в виде однозвенной интегрирующей ?С-цепи, можно определить по формуле

t$max</y4Q/lg 10(Q- 1). (11.29)

При больших начальных расстройках, попадающих за экстремумы характеристики ЧД,

Тф тах^

<-

arctg

Пм \

:-Ь^1п 10

/ П

.2Д^ач

(11.30)

Если в системе АПЧ используются безынерционные регулятор частоты и измерительный элемент, а инерционными свойствами обладает только ФНЧ, то система АПЧ, содержащая однозвенную и даже двухзвенную интегрирующие RC-nenn, устойчива при любом коэффициенте Q. Однако при ограниченной полосе пропускания контуров УПЧ и ЧД в них имеет место запаздывание сигнала, которое отрицательно сказывается на устойчивости работы АПЧ. Минимально допустимое значение постоянной времени интегрирующей /?С-цепи, при которой обеспечивается устойчивая работа АПЧ, с учетом времени запаздывания Тз у^, в контурах УПЧ и ЧД равно

Чф mini 2 (Q- I) Тз у^/Лу

(11.31)


Рис. 11.9. Графики для расчета Is уст в УПЧ:

/ - одиночные контуры, настроенные на одну частоту; S - одиночные попарно-расстроенные контура при критической расстроАке; 3 - одиночные контура, настроенные на три частоты при критической расстройке; -( - пары связанных контуров при критической

связи,

Минимальное значение постоянной времени ФНЧ, при которой обеспечивается расширение спектра гетеродина при воздействия шумов не больше допустимого значения по отношению к полосе пропускания УПЧ, равно

т у. lAg (9-1) . 21

где Ро = (д^т/Пупч относительное расширение спектра гетеродина, 0д^щ - среднеквадратичное значение флюктуации частоты гетеродина. Большая из величин Тф х и Тф min2 является расчетным значением минимальной постоянной времени RC-цепи ФНЧ,

Время запаздывания Тд обусловлено типом применяемых контуров, их числом п и полосой пропускания УПЧ:

Тз уот = Ys/Пупч, (11.33)

где Уз коэффициент , зависящий от типа и числа контуров и определяемый G помощью кривых, приведенных на рис. 11.9.

Если условия (11.29)- (11.32) окажутся несовместимыми, т. е. min > Тф шах > то можно в ФНЧ выбрвть постоянную временй



Тф max. а ДЛЯ обеспечения устойчивости системы АПЧ при такой постоянной времени ФНЧ расширить, если это возможно, полосу пропускания УПЧ так, чтобы обеспечить малую величину времени запаздывания

*8 уСт

ПХф max/2{Q- 1).

(П.34)

Такое время запаздывания можно получить, если вместо полосы пропускания Пупч выбрать полосу пропускания, обеспечивающую малую Тв уст, из условия

Пз>уАуст. 01.35)

При этом расчет УПЧ необходимо произвести заново, введя в , него новую полосу пропускания Пд. При больших начальных расстройках А/нач расчетные параметры могут оказаться нереализуемыми. В этом случае в системе АПЧ применяют поиск сигнала.

Особенности построения и проектирования импульсных частотных систем АПЧ

Импульсные частотные системы АПЧ использукэтся для подстройки частоты непрерывных колебаний гетеродина импульсного приемника по несущей частоте импульсных сигналов. Различают импульсные частотные системы АПЧ инерционные и быстродействующие (БАПЧ). В первых сигнал рассогласования на выходе частотного детектора вырабатывается в результате действия каждого импульса, однако частота гетеродина подстраивается постепенно в течение нескольких периодов Т„ импульсных сигналов. В таких системах используются ФНЧ с большой постоянной времени Тф Тп, поэтому по своим статическим и динамическим характеристикам они близки к системам непрерывного действия.

Во вторых отклонение промежуточной частоты в начале импульсного сигнала от номинального значения уменьшается в течение действия импульса длительностью т, так что к моменту его окончания переходные процессы в системе затухают и производится запоминание установившегося к концу импульса значения частоты гетеродина на весь период Гд. Работа БАПЧ в течение импульса аналогична работе непрерывной системы АПЧ. Системы БАПЧ рассмотрены в работе [41.

Если при проектировании импульсной системы АПЧ можно выбрать полосу пропускания УПЧ АПЧ Пупч и контуров частот- ного детектора П„ во много раз больше ширины спектра импульсного сигнала (практически достаточно, чтобы Пупч > (5 ... 10)/т, Пми > (5 .4 10)/т), а постоянную времени ФНЧ такую, чтобы длительность переходного процесса составляла несколько периодов повторения импульсных сигналов (у, > ЮТа), то расчет импульсной системы АПЧ практически ничем не отличается от расчета непрерывной системы АПЧ. Кроме того, если выбрать постоянные времени цепей нагрузок ЧД значительно больше периода Та, то 436

этот детектор работает и как частотный, и как пиковый. Прн этом структура импульсной системы АПЧ ничем не отличается ог структуры непрерывной системы АПЧ.

Однако такой способ выделения регулирующего напряжения малоэффективен из-за малого коэффициента передачи ЧД. Чаще всего регулирующее напряжение формируют дополнительным пиковым детектором, включенным между ЧД и ФНЧ. При этом на выходе ЧД выделяют видеоимпульсы, амплитуда которых пропорциональна отклонению промежуточной частоты импульсов от номинального значения, а полярность их определяет направление отклонения. Перед пиковым детектором можно установить видеоусилитель. При этом результирующую крутизну статической характеристики ЧД можно получить, умножив 5чд на коэффициент передачи всех выходных каскадов АПЧ (/(вых). стоящих после ЧД:

5чд5: = 5чд/(вых- (11.36а)

Расчет импульсной частотной системы АПЧ имеет ряд особенностей. При расчете параметров ЧД импульсной системы АПЧ необходимо полосу частот между экстремумами характеристики частотного детектора выбирать из условия

П„>П„ >(2... 5)/т. (11.366)

для исключения ложных нулей в характеристике частотного детектора при сравнительно больших расстройках Д/ ач>7/т [21.

Емкость нагрузки Св чд частотного детектора складысатся из входной емкости видеоусилителя Свх ву. емкости монтажа (С„), дополнительной емкости (Сцоп). включенной параллельно сопротивлению нагрузки ЧД:

Св чд = Свх ву + + :

(11.37)

Расчетное значение емкости Сичд должно удовлетворять условиям

Сн чд > Св, ву + См, Снчд > (5 ... 10) Савд, (11.38)

Снчд > (0.03 ... 0,06) чд Rta-

Для расчета сопротизлення нагрузки частотного детектора чд задаются допустимой длительностью среза импульса

Те < (0,1 ... 0,5) т. (11.39)

При этом /?в чд < 1:е/2,ЗСнчд. (И.40)

Для пиковых детектороз систем АПЧ выбирают диоды с малым прямым внутренним {Rt д) и с большим обратным (/?обр) сопротивлениями. Сопротивление нагрузки пикового детектора R д ДЛЯ обеспечения коэффициента передачи, близкого к единице, выбирают сравнительно большим (/? дд = 0,5 ... 2 МОм). При этом необходимо учитывать, что оно шунтируется обратным сопротивлением диода, и поэтому полное сопротивление нагрузки равно



(11.41а)

Полное выходное сопротивление каскада видеоусилителя Rsux ву. к которому подключается пиковый детектор, определяется внутренним сопротивлением Rt ву и нагрузкой R ву:

?вых в, Rt ву Rn ,y/iRl ву + Rn ву). (11.416)

Коэффициент передачи пикового детектора

Кпд = (1 + Т'п/вы. ву/х/?.)-Ч (11.41В)

Емкость пикового детектора выбирается из условия обеспечения максимального коэффициента передачи и малых пульсаций выходного напряжения:

Cnn>&TjR. (11.42)

Максимальное значение постоянной времени ФНЧ импульсной системы АПЧ выбирается из условия обеспечения заданной длительности переходного процесса:

..<(,.-7-j + ;, i -. .(И. а)

Минимальное значение постоянной времени ФНЧ импульсной системы АПЧ выбирается из условия обеспечения устойчивости системы АПЧ

4mta>T(Q-l). (11.436)

Выбор и расчет элементов системы АПЧ

Проектирование системы АПЧ заканчивается выбором и расчетом элементов и каскадов цепи АПЧ на основе заданных по ТЗ и рассчитанных параметров. Смеситель и усилитель промежуточной частоты АПЧ проектируются так же, как смеситель и УПЧ приемного канала. Исходными данными для расчета являются выбранные значения коэффициента усиления Купи и полосы пропускания Пупч-

В качестве ЧД можно использовать один из вариантов частотных детекторов, расчет которых приведен в гл. 9, с учетом особенностей в расчете, приведенных в данном параграфе. Исходными данными для расчета частотного детектора являются заданная частота его настройки (переходная частота), крутизна статической характеристики 5чд и полоса пропускания П^. Часто нагрузка детектора вместе с шунтирующей емкостью могут формировать расчетное значение постоянной времени Тф, Кроме того, постоянную времени можно реализовать с помощью интегрирующей /?С-цепи, имеющей расчетное значение постоянной времени (РфСф = Тф).

Для исключения шунтируюнхего действия последующих цепей после ЧД и ФНЧ, как правило, используются эмиттерные повторители. УПТ применяют в том случае, когда не удается создать доста . 438

точного усиления в цепях переменного тока (УПЧ, ЧД, ВУ) для обеспечения требуемого значения крутизны частотного детектора. При проектировании УПТ необходимо обеспечить не только заданный коэффициент усиления, но и требуемые пределы изменения его выходного напряжения t/pj и U ПО, И]. Опорное напряжение создается с помощью специального источника питания, в цепях АПЧ предусматриваются цепи регулировки этого напряжения для установки исходного режима работы гетеродина.

Рассчитав параметры цепи АПЧ на основе исходных данных и требований ТЗ, можно, сравнивая параметры микросхем с требуемыми, выбрать подходящие ИС для групп каскадов или для отдельных каскадов.

Пример 11.1. Требуется рассчитать систему АПЧ, входящую в состав супергетеродинного приемного устройства самолетного импульсного метеолокатора, выполненного с применением интегральных микросхем:

Исходные данные: номинальная частота принимаемых сигналов /оо = 9375 МГц; среднеквадратичное значение изменения частоты принимаемых сигналов одг^ = 5 МГц; про.межуточная частота /п = 30 МГц; допустимая остаточная ошибка системы АПЧ А/о < 0,35 МГц; максимальное допустимое значение длительности переходного процесса /у, 0,1 с; длительность импульсов т = 1 мкс; период повторения импульсов Гд = 1 мс.

В приемном устройстве применен твердотельный гетеродин на диоде Ганна, имеющий крутизну статической характеристики регулятора частоты гетеродина Spq = 10 МГц/В, диапазон электронной перестройки частоты 2А/г 60 МГц, диапазон изменения управляющего напряжения At/ynp = 6 В, опорное напряжение (7о = 5 В. Среднеквадратичное значение изменения частоты гетеродина of = = 5 МГц.

Так как приемник и передатчик совмещены, в канале АПЧ применен отдельный смеситель. Сигнал промежуточной частоты на выходе смесителя АПЧ имеет амплитуду (Уд вх = 0,3 В.

Р 1. Л1аксимальная начальная расстройка определяется нестабильностью частот сигнала и гетеродина (11.15):

А/ ач = 1,5 К(± 5) + (± 5)2 10 МГц.

Начальная расстройка не превышает возможные пределы электронной перестройки частоты гетеродина А/на, = Ю МГц < 2А/г = = 60 МГц.

2. Требуемый коэффициент подстраивающего действия системы АПЧ равен (11.16) = 10/0,35 = 29.

3. Для того чтобы реализовать требуемый коэффициент подстраивающего действия, крутизна статической характеристики частотного детектора должна быть равна (11.17) 8чд i = (29 - 1)/10=

2,8 В/МГц. f



4. В системе АПЧ используем частотный детектор на расстроенных контурах с последовательным резонансом. Его подключаем к каскаду УПЧ, выполненному на интегральной микросхеме К2УС243 (универсальный усилитель), имеющей выходную проводимость 223 = 0, 2 10- См, ток насыщения транзистора / ас = = 8 мА. Максимальное значение амплитуды тока сигнала промежуточной частоты равно (И 18) < = 4 мА.

5. В частотном детекторе используем диоды Д2Е, имеющие внутреннее сопротивление /?д = 200 Ом и проходную емкость

СакД = 1 пФ.

6. Выбираем емкость нагрузки частотного детектора из условий (11.38)

Снчд>3--3 = 6 пФ, Снчд>5... 10 пФ. f. 0,03... 0,06 с ,л Д^ 30.10 . 200

Всем трем условиям удовлетворяет емкость Снчд = Ю пФ.

7. Выбираем длительность среза импульса в соответствии с формулой (11.39) Те = 0,5 мкс. Тогда сопротивление нагрузки равно (11.40)

0,5.10-

2,3 . 10. 10-12

= 21,7 кОм.

Выбираем сопротивление нагрузки /?дчд == 21 кОм.

Величина чд ?ш = 21 10/200 105. При этом из графика рис. 11.8 /(д = 0,83, /?вх = 70/?,д = 70 200 = 14 кОм.

8. Выбираем емкость контуров частотного детектора С„ = = 10 пФ. Минимальное эквивалентное затухание контуров частотного детектора, переходная частота которого совпадает с промежуточной частотой /чд = /п, равно (11.21)

4 mm = 0.01 +

2.3,14.30.10 .10.10-12

9. Частоты настроек контуров частотного детектора равны (табл. 11.1)

/.;.=30 (1 ± >/,0.0,o.io.) * ± 5) :

отсюда Д = 24,5 МГц, = 35,5 МГц.

10. Полоса частот между экстремумами частотного детектора равна (табл. 11.1)

П„ =0,154 .30 -

01 -\- О,03й).0,106

= 11 МГц.

Минимально допустимое значение полосы частот частотного детектора (11.366)

П

2... 5 Ы0-

= 2... 5 МГц.

Следовательно, условие (11.366) выполнено

Им - 11 МГц > = 2 ... 5 МГц.

11. Полоса схватывания АПЧ при максимальной крутизне статической характеристики частотного детектора (табл. 11.1) Псх5 = = 2 . 10 . 4 . 10- . 5 . 10 . 0,83 = 330 МГц. Полоса схватывания больше удвоенной начальной расстройки 2А/ ач = 20МГц< < Псх = 330 МГц.

12. Максимальная крутизна характеристики частотного детек- тора (табл. 11.1)

о 0,64-4.10-з.0,83 . 1 В ->ЧДтах=- .. ..... ... = 1 54

302.1012-10.10- а.0,154

МГц

13. Чтобы последующие цепи не шунтировали нагрузку ЧД, на его выход ставим эмиттерный повторитель, в качестве которого используем микросхему К2УЭ182 (биполярный эмиттерный повторитель) с коэффициентом передачи Каи == 0,9. Учитывая, что уровни сигналов на выходе ЧД велики, особенно на частотах настройки контуров, видеоимпульсы после эмиттерного повторителя необходимо усиливать в раздельных каналах. После пиковых детекторов полученные регулирующие напряжения складываются для формирования результирующей характеристики частотного детектора.

14. Применим параллельные пиковые детекторы. Выбираем диоды типа Д2Е со следующими параметрами: /?гд = 200 Ом, обр = 800 кОм и Сакд = 1 пФ. Принимаем сопротивление нагрузки детектора равным /?н пд = 1 МОм. При этом полное сопротивление нагрузки детекторов (11.41а)

800.103.10 0,8.10 2

800.103Н-10 1,8.10

445 кОм.

15. В качестве видеоусилителей, к которым должны подсоединяться пиковые детекторы, используем интегральные схемыК2УИ 181 (импульсный усилитель на положительную полярность) и КУИ182 (импульсный усилитель на отрицательную полярность), имеющие следующие основные параметры: Ki 3, Ri ду ЮО Ом, длительность усиливаемых импульсов без навесных конденсаторов т = 0,3-1,0 мкс, /? ву = 400 Ом.

Полное выходное сопротивление видеоусилителей (11.416)

\вых ву

100 400 100 + 400

= 80 Ом.



16. Коэффициенты передачи пиковых детекторов (11.41 в)

103.80 \-1

0,85.

V 1 . 445 . 108 , Емкость пикового детектора определяем из условия (11.42)

5-10-8 445 . 103

11200 пФ.

Выбираем Спд = 0,012 мкФ.

17. Чтобы исключить шунтирование нагрузок пиковых детекторов входным сопротивлением цепей управления гетеродином.


Рис 11.10. Принципиальная схема частотной АПЧ приемника импульсных сигналов.

после пикового детектора установим истоковый повторитель на полевом транзисторе КП102Л, с коэффициентом передачи Кяп = 0,9.

18. Результирующая крутизна статической характеристики частотного детектора (11.36а) 5чдх = 1,54 0,9 3 0,85 0,9 = = 3,2 В/МГц. Так как 5чд2>5чдт, то дополнительного УПТ в цепи АПЧ не требуется.

19. Постоянную времени интегрирующей цепи ФНЧ выбираем из условий (11.43)

- 4,.<(o..-o.oo.,;;; ;-jv --o,oi85c.

.4 m.n > 10- (29 - 1) = 28 мкс.

Этим двум условиям удовлетворяет величина Тф = 0,018 с. i

Выбираем сопротивление фильтра Яф = 100 кОм. Тогда емкость фильтра Сф = 0,018/10 = 0,18 мкФ.

Принципиальная схема рассчитанной системы АПЧ приведена на рис. 11.10. 442


11.3. РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМ ФАЗОВЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПОДСТРОЕК ЧАСТОТЫ

Принцип действия и основные параметры

Особенность системы фазовой автоматической подстройки частоты гетеродина (ФАПЧ) заключается в использовании в ее измерительном элементе фазового детектора (ФД), в котором срав* ниваются колебания стабилизируемого гетеродина /г и генератора эталонной частоты (ГЭЧ) или сигнала промежуточной частоты /ц и напряжения ГЭЧ (рис. 11.2). Остальные элементы ФАПЧ, т. е. стабилизируемый гетеродин (Г), регулятор частоты (РЧ), фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), усилитель постоянного тока (УПТ) и смеситель (С) такие же, как в системе АПЧ.

В ФАПЧ обеспечивается постоянство разности фаз и, следовательно, равенство частот двух колебаний (/г = Д или /ц /э)-Для схемы на рис. 11.1 в установившемся режиме /г = /э, а для схемы на рис. 11.2 /а = fa- Если эти условия не выполняются и указанные частоты отличаются друг от друга на постоянную величину Д/, то в рассматриваемый момент времени f разность фаз ф между ними будет равна ф = 2л (/г - Д) -Ь Фо = 2лД/ + Фо. где Фо - начальная разность фаз.

После фазового детектора в системе ФАПЧ включен фильтр нижних частот (ФНЧ), на выходе которого выделяются низкочастотные составляющие продетектированного сигнала. Если коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания принять равным единице, то регулирующее напряжение на выходе фильтра t/p будет зависеть от текущего сдвига фаз между колебаниями

t/p = t/ ,ax/(Ф), (11-44)

где (7tnax - максимальное выходное напряжение ФД; / (ф) - нормированная статическая характеристика ФД.

Напряжение (7р используется в схемах ФАПЧ для подстройки частоты гетеродина при помощи регулятора частоты. При этом частота стабилизируемого гетеродина изменяется по тому же закону, что и регулирующее напряжение (Ур. Следовательно, изменение частоты /г в данном случае будет определяться изменением сдвига фаз между колебаниями генератора эталонной частоты и стабилизируемого гетеродина или сигнала промежуточной частоты.

Многие характеристики и параметры, используемые при расчете частотной системы АПЧ, применяются и при расчете системы ФАПЧ: статические характеристики регулятора частоты (11.1) и измерительного элемента (11.5), крутизна статической характеристики регулятора частоты (11.4), начальная расстройка (11.7), полосы схватывания и удержания, время установления переходного процесса и др. Однако расчет этих характеристик и параметров имеет свою специфику. Статической характеристикой фазового



1 ... 19 20 21 22 23 24 25
Яндекс.Метрика