Описание лабораторного стенда

Основу стенда составляет микросхема К1561ГГ1 – генератор с фазовой автоподстройкой частоты (ФАП). В своём составе данный элемент имеет генератор, управляемый напряжением (ГУН), два фазовых компаратора (ФК) (исключающие ИЛИ и триггерная схема), усилитель-формирователь (УФ) входного сигнала и выходной истоковый повторитель (рис. Л3.3).

На рисунке Л3.4 приведена схема электрическая принципиальная лабораторного стенда ФАПЧ.

В качестве опорного генератора (ОГ) используется генератор импульсов, собранный на логических элементах, составляющих основу микросхемы К561ЛА7. R₁ задает режим по постоянному току и является времязадающей цепочкой совместно с ёмкостью С₁, которая, в свою очередь, является элементом положительной обратной связи, обеспечивающим возникновение устойчивых колебаний. К R₁ подключен добавочный резистор R₂, позволяющий в значительных пределах изменять t цепи, а следовательно, и частоту работы генератора. При заданных на схеме (рис. Л3.4) номиналах элементов частота перестраивается в пределах примерно от 350 до 750 кГц. Движок резистора R₂ выведен на переднюю панель стенда для оперативной перестройки частоты.

На выходе ФД выделяется постоянная составляющая, пропорциональная разности фаз ГУН и ОГ, отфильтрованная ФНЧ (элементы R₃, C₃).

Емкость С₃ выбирается небольшой для того, чтобы система ФАПЧ успевала отрабатывать разность фаз при резком изменении частоты ОГ, и при этом ФНЧ обеспечивал необходимую фильтрацию ВЧ-составляющих.

После ФНЧ постоянная составляющая поступает на вход ГУН и подстраивает его под частоту ОГ с точностью до фазы.

На рисунке Л3.5 показан внешний вид передней панели стенда.

На передней панели стенда, в левом нижнем углу, расположен тумблер питания. Над ним выведен прибор, контролирующий напряжение на входе ГУН. Правее размещены индикаторы встроенного частотомера. Частотомер стенда отображает информацию, равную сотням кГц в старшем знаке.

В правом верхнем углу размещены тумблер, подключающий второй канал осциллографа к выходу ГУН или к выходу ЧД; тумблер, подключающий частотомер к выходу ГУН или ОГ; ручка переменного резистора, перестраивающего частоту ОГ. В нижней части панели стенда размещены разъёмы для подключения внешних измерительных приборов: разъёмы для подключения первого и второго каналов осциллографа, разъёмы для подключения внешних (дублирующих) частотомера и вольтметра.

Схема эксперимента приведена на рисунке Л3.6.

Двулучевой (двухканальный) осциллограф по первому входу постоянно подключен к выходу ОГ («1-й канал»), по второму входу («2-й канал») отображает сигнал с выхода ГУН или с выхода фазового компаратора (в зависимости от положения переключателя ФНЧ–ГУН). Синхронизацию осциллографа необходимо сделать по первому каналу. Частотомер подключается к выходу ОГ или к выходу ГУН (в зависимости от положения переключателя ОГ–ГУН).

Вольтметр отображает относительное значение напряжения на входе ГУН (точное значение можно измерить внешним вольтметром).

На рисунках Л3.7 – Л3.11 приведены осциллограммы, которые будут наблюдаться в процессе лабораторной работы.

Если захвата частоты нет (частоты ГУН и ОГ не совпадают), на экране осциллографа наблюдается следующая картина: прямоугольные импульсы ОГ (первый канал) наблюдаются чётко, в то время как импульсы ГУН во втором канале осциллографа будут «бежать» относительно первого (рис. Л3.7).

Рис. Л3.7. Изображение на экране осциллографа до момента захвата частоты

В момент захвата частоты импульсы с ГУН синхронизируются с импульсами ОГ, и картинка на экране осциллографа станет устойчивой (рис. Л3.8
и Л3.9).

В середине диапазона захвата частоты фаза импульсов ГУН и ОГ будет отличаться на 90° (рис. Л3.8). При этом напряжение на выходе ФНЧ, куда подключен встроенный вольтметр, соответствует среднему напряжению (необходимо измерить), подаваемому на варикапы ГУН.

Рис. Л3.8. Изображение на экране осциллографа после захвата частоты

При изменении частоты ОГ в пределах полосы удержания петлей ФАП на осциллографе будет наблюдаться изменение разности фаз между импульсами ГУН и ОГ. При этом на вольтметре будет изменяться напряжение в большую или меньшую сторону относительно среднего значения, и это изменение будет зависеть от соотношения фаз (рис. Л3.9).

Рис. Л3.9. Фазовые соотношения между частотами ГУН и ОГ

Как только изменение частоты ОГ выйдет за пределы полосы удержания ФАП, произойдёт рассинхронизация второго канала, а напряжение на вольтметре вернётся к среднему значению.

Для определения полосы захвата (рабочей полосы частот ФАПЧ) необходимо подключить осциллограф к выходу ФД микросхемы ФАП. Для этого осциллограф переключается только на второй канал, а переключатель ФНЧ–ГУН на передней панели стенда устанавливается в положение «ФНЧ». До момента захвата ГУН, на выходе ФД будут наблюдаться биения частот ОГ и ГУН
(рис. Л3.10).

Рис. Л3.10. Биения между частотами ГУН и ОГ до момента захвата

При приближении частоты ОГ к участку захвата биения постепенно уменьшаются и в момент захвата превращаются в постоянное напряжение. При изменении частоты в пределах полосы удержания ГУН на экране осциллографа наблюдается изменение уровня постоянной составляющей (рис. Л3.11).

Рис. Л3.11. Постоянная составляющая на выходе ФНЧ в момент захвата