Методы автоматической подстройки частоты

Суть АПЧ состоит в том, что частота колебаний генератора преобразуется к частоте некоторого эталона (высокостабильного колебания), сравнивается : этим эталоном, и полученная ошибка используется для устранения нестабильности частоты генератора.

В зависимости от схемы сравнивающего устройства системы АПЧ подразделяются на системы частотной автоподстройки (ЧАП), системы фазовой автоподстройки (ФАП) и системы импульсно-фазовой автоподстройки (ИФАП). В системах ЧАП в качестве сравнивающего устройства служит частотный детектор (ЧД), в системах ФАП – фазовый детектор (ФД), а в системах ИФАП – импульсно-фазовый детектор (ИФД).

Недостатком систем частотной автоподстройки является наличие остаточной расстройки автогенератора, устранение которой требует специальных мнительных мер. По этой причине системы ЧАП не находят в настоящее время широкого применения.

Рассмотрим подробнее систему ФАП, принцип работы которой поясняется рис. 2.6.

Выходное колебание синтезатора создает управляемый генератор (УГ)1, автоматически подстраиваемый кольцом ФАП. Для осуществления автоподстройки колебания УГ преобразуются в колебания более низкой промежуточной частоты , которая определяется разностью между частотой датчика опорных частот и частотой управляемого генератора :

= -

Рис. 2.6. Структурная схема системы ФАП

Колебания промежуточной частоты подаются на ФД, где сравниваются с эталонной частотой опорного генератора. На выходе ФД появится напряжение ( ), значение которого зависит от разности фаз (Dj) сравниваемых колебаний. Типичная характеристика ФД показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Характеристика фазового детектора

Кроме того, в спектре выходного напряжения ФД содержатся высокочастотные составляющие с частотами , и другие гармоники. Все эти составляющие должны быть подавлены с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ), включенного на выходе ФД. В противном случае они вызовут паразитную частотную модуляцию УГ. Отсюда следует, что частоту среза ФНЧ необходимо выбирать меньшей, чем частоту сравнения.

Если частоты сравниваемых колебаний на входе ФД отличаются, то напряжение на его выходе будет изменяться. Это напряжение является управляющим для УГ и будет изменять частоту его колебаний до тех пор, пока промежуточная частота не сравняется с эталонной, т. е. до выполнения условия . При этом на выходе ФД будет иметь место только постоянное напряжение, которое и будет удерживать систему в стационарном состоянии.

Таким образом, в установившемся режиме частота колебаний на выходе системы ФАП будет равна

,

т. е. полностью определяется высокостабильными частотами ОГ и ДОЧ.

Из приведенного выражения следует также, что при изменении одной из частот или система ФАП перестроит частоту УГ на такую же величину.

Максимальная начальная расстройка, которая может быть скомпенсирована системой ФАП, называется полосой схватывания (или захватывания) и ограничивается полосой в несколько килогерц. Поэтому в схемах применяются специальные системы автопоиска, которые изменяют частоту УГ во всем диапазоне частот и обеспечивают ее попадание в полосу схватывания системы ФАП. Система автопоиска обычно представляет собой автогенератор пилообразного напряжения, который запускается при отсутствии управляющего напряжения на выходе ФД и изменяет частоту УГ в широких пределах. Как только частота УГ попадает в полосу схватывания системы ФАП, генератор поиска выключается, сохраняя напряжение на выходе, которое было в момент выключения. Дальнейшее изменение частоты генератора обеспечивается системой ФАП.

Для изменения частоты автогенераторов используются так называемые реактивные элементы (РЭ), в качестве которых чаще всего служат варикапы. Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость которого изменяется под воздействием приложенного к нему напряжения. Если варикап подключить параллельно элементам колебательного контура автогенератора и подать на него управляющий (или модулирующий) сигнал, то под действием последнего будет изменяться эквивалентная емкость контура, а, следовательно, и частота генерируемых колебаний. Основная характеристика варикапа и один из вариантов включения его в контур автогенератора показаны на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Характеристика варикапа и вариант его включения в контур автогенератора