(Лабораторна робота 2, макет з електронним інтегратором)

Мета роботи:

1) ознайомлення з функціональними елементами системи ФАПЧ і принципом її роботи;

2) дослідження точності в залежності від структури і параметрів системи;

3) дослідження можливостей зміни динамічних властивостей системи методом послідовної корекції.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка складається з макета системи ФАПЧ, генератора гармонійних сигналів і осцилографа. Система ФАПЧ в найпростішої комплектації містить фазовий дискримінатор (перетворює різницю фаз двох сигналів в керуючу напругу), ланцюги корекції і керований генератор (у времязадающей ланцюга цього генератора включений керований напругою реактивний елемент). Якщо вхідний і вихідний сигнали системи ФАПЧ засмучені по фазі (або частоті), то фазовий дискримінатор виробляє керуючу напругу відповідного знака, під дією якого змінюються параметри времязадающей ланцюга керованого генератора і, відповідно, змінюється частота (і фаза) вихідного сигналу так, щоб зменшити первісну расстройку. Без урахування нелінійності статичних характеристик функціональних елементів і інерційності фазового дискримінатора функцію передачі системи ФАПЧ в розімкнутому стані можна представити у вигляді:

де - функція передачі коректує ланцюга; - коефіціент посилення.

В САУ 1 порядку астатизма динамічна помилка стеження залежить від швидкості зміни впливу (в нашому випадку - фази) і коефіцієнта посилення системи:

(1)

де - залишкова помилка стеження за фазою в градусах (корисно фазу вважати розмірної величиною); - початкова расстройка частот генераторів [Гц].

Передбачені 3 варіанти включення найпростішої системи ФАПЧ (перемикач S1):

Без корекції (\u003d 1);

;

З послідовною корекцією виду: ,

причому постійні часу ланцюгів корекції T 1, T 2 і T 3 залежать від номіналів резисторів і ємностей, зазначених на макеті.

Частотні і фазові співвідношення сигналів керованого і зовнішнього генераторів спостерігаються по фігурам Ліссажу на екрані осцилографа. Для вимірювання помилки стеження використовується фазообертач, включений на виході керованого генератора. Попередньо встановлюють ручку «Расстройка» зовнішнього генераторав положення «0» і в розімкнутому стані системи ФАПЧ (положення 1 перемикача S1) виконують ручну грубу підстроювання частоти зовнішнього генератора за кінцевим результатом (фігура Ліссажу - еліпс). Потім замикають кільце стеження і за допомогою фазовращателя фігура Ліссажу перетвориться до зручної для спостереження формі (лінія або «вісімка»). Надалі частоту зовнішнього генератора змінюють ручкою «Расстройка». Плавне зміна частоти вхідного сигналу впливає на помилку стеження, що призводить до деформації фігури Ліссажу. Повертаючи фігуру в попереднє положення за допомогою фазовращателя, можна виміряти (за шкалою фазовращателя) величину залишкової помилки.

Слід мати на увазі, що реальна залежність через нелінійність статичної (дискримінаційної) характеристики фазового дискримінатора описується нелінійної непарною функцією. При цьому експериментально вдається отримати лише фрагмент залежності, на якому слід виявити лінійний ділянку для розрахунку коефіцієнта.

Для якісної оцінки швидкодії і ступеня колебательности перехідних процесів в системі ФАПЧ в ланцюзі вхідного сигналу передбачена Фазосдвігающая ланцюг, що включається тумблером «Стрибок фази».

У повній комплектації система ФАПЧ містить, додатково, електронний інтегратор: підключається «еквівалент двигуна».

Завдання по роботі

1. Включити генератор, макет і осцилограф.

2. Розімкнути систему ФАПЧ (перемикач в положенні 1).

3. Налаштувати осцилограф для спостереження фігур Ліссажу.

4. Змінюючи частоту генератора, забезпечити збіг частот зовнішнього генератора і керованого генератора системи ФАПЧ (еліпс на екрані осцилографа). Замкнути систему ФАПЧ (перемикач в положенні 2). Виміряти смугу утримання системи ФАПЧ.

5. Ручку «частота генератора» встановити в середнє положення (см.п.4). За допомогою фазовращателя зафіксувати положення еліпса, представивши його у вигляді лінії або «вісімки». Змінюючи частоту генератора (ручка «расстройка»), і вимірюючи приріст фазового зсуву за допомогою фазовращателя, побудувати залежність (повинна вийти непарна функція). Для побудови графіка потрібно 3-5 точок при розладі частоти в один бік і стільки ж точок - в іншу.

6. Для лінійної ділянки залежності визначити коефіцієнт посилення за допомогою формули (1). Це значення узгодити з викладачем.

7. Використовуючи отримане значення, побудувати побудувати асимптотичні логарифмічні характеристики для 3-х варіантів включення системи ФАПЧ першого порядку астатизма (всі ЛГ побудувати на одному графіку для зручності порівняння; параметри коригувальних елементів вказані на макеті). За логарифмическим характеристикам оцінити якість перехідних процесів.

8. Якісно оцінити перехідні процеси в системі ФАПЧ (для цієї мети використовується тумблер «стрибок фази»).

9. Включити «еквівалент двигуна» і повторити пп.4-6 (при зміні частоти генератора врахувати тривалий перезаряд ємності електронного інтегратора). Схему електронного інтегратора замалювати і обчислити його передавальну функцію (в загальному вигляді).

1. Функціональна схема системи ФАПЧ, схеми коригувальних елементів із зазначенням номіналів резисторів і ємностей, схема електронного інтегратора, функції передачі розімкнутої системи для всіх досліджуваних варіантів.

2. Таблиця і графік залежності, розрахунок і постійних часу коригувальних елементів.

3. Асимптотичні ЛГ для 3-х варіантів побудови системи ФАПЧ першого порядку астатизма.

4. Порівняльні характеристики перехідних процесів і їх пояснення.

5. Смуги утримання досліджуваних систем ФАПЧ.

6. Структура формує фільтра для ситуації Δf \u003d const.

3.4. Контрольні питання

1. Як працюють функціональні елементи системи ФАПЧ і вся система в цілому?

2. Який параметр вхідного сигналу є інформативним для системи ФАПЧ?

3. Який вигляд має структура формує фільтра в разі Δf (t) \u003d 0, Δf (t) \u003d const, Δf (t) \u003d vt? Який вигляд має структура узгодженої САУ?

4. Як змінюються властивості системи ФАПЧ при збільшенні (зменшенні) коефіцієнта посилення?

5. З якою метою включаються коригуючі елементи в системі ФАПЧ першого порядку астатизма?

6. Як змінюються властивості системи ФАПЧ при електронного інтегратора?

Мордовський ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ Н.П. Огарьова

Інститут фізики і хімії

Кафедра радіотехніки

Лабораторна робота

По курсу: «Радиоавтоматика»

На тему: «фазового автопідстроювання частоти»

Студент 403 групи д / о Гончаров Д.Л.

Спеціальність 210601 «РЕСіК»

Перевірив П'янзін Д.В.

Саранськ 2014

1. Загальні відомості.

Системою фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) називається система автоматичного регулювання, що забезпечує автоматичне регулювання частоти керованого генератора в пристроях прийому і обробки сигналів відповідно до частоти вхідного сигналу і використовує в якості вимірювального елемента фазовий детектор.

Системи ФАПЧ використовуються для підстроювання частоти гетеродина в супергетеродинних радіоприймальних пристроях, виділення несучої частоти в демодулятором систем передачі повідомлень, при реалізації когерентного прийому сигналів, вимірювання частоти за допомогою вузькосмугових стежать фільтрів, при формуванні високостабільних коливань в синтезаторах частот різних радіотехнічних пристроїв і т. Д. системи ФАПЧ можуть бути реалізовані в аналоговому і цифровому вигляді.

Особливістю системи ФАПЧ (що знаходиться в стані синхронізації) є нульова статична помилка по частоті, т. Е. Рівність частот коливань підстроюється генератора (гетеродина) і еталонного (вхідного) коливання
. Разом з тим в електронних системах ФАПЧ існує статична помилка регулювання по фазі, т, е. Статична відміну фаз коливань підстроюється генератора, керованого напругою (ГУН), і еталонного сигналу. Системи ФАПЧ зазвичай мають порівняно вузький діапазон початкових расстроек, в якому вони здійснюють підлаштовуватися дію. При аналізі роботи системи ФАПЧ розглядають режими утримання та захоплення.

Режимом утримання називається сталий режим рівності частот
, Відповідний ефективній роботі системи ФАПЧ при повільних змінах початкової розладу. При цьому маються на увазі зміни, швидкість яких багато менше швидкості перехідних процесів в системі.

Режимом захоплення називається процес, що виникає при стрибкоподібному зміні початкової розладу і закінчується встановленням режиму утримання. Характерним відмінністю цих режимів є те, що в режимі захоплення істотну роль відіграють перехідні процеси.

Основними характеристиками систем ФАПЧ є наступні:

смуга утримання
- область початкових расстроек ГУН, всередині якої система ФАПЧ ефективно працює в режимі утримання.

смуга захоплення
- область початкових расстроек ГУН, всередині якої система ФАПЧ ефективно працює в режимі захоплення.

Час захоплення t 3 - час втягування системи ФАПЧ в режим синхронізації, істотно залежить від значення початкової розладу між частотою вхідного коливання і частотою коливання ГУН.

2. Принципи роботи системи фазового автопідстроювання частоти.

Основними елементами структурної схеми системи фазового автопідстроювання частоти (рис. 1) є: фазовий детектор - ФД, фільтр низької частоти - ФНЧ, підсилювач - УС, керуючий елемент УЕ і перебудований (синхронізований) генератор - ГУН.

Мал. 1. Структурна схема системи ФАПЧ.

На один вхід фазового детектора ФД надходить сигнал
, На другий - високочастотне коливання
синхронизируемое перебудовується генератора. Між виходом ФД і входом керуючого елемента в петлі зворотного зв'язку знаходяться фільтр низької частоти ФНЧ і підсилювач постійного струму УС. Саме ці два елементи структурної схеми практично формують частотну характеристику системи ФАПЧ і визначають її петлевий коефіцієнт передачі. Якщо частота сигналу ω з і частота коливання на виході ГУН ω г відрізняються один від одного на постійну величину Δω, то миттєве значення різниці фаз φ між ними дорівнюватиме:

Зазвичай в якості фазового детектора ФД (рис. 1) використовується аналоговий перемножувач, що має на виході фільтр нижніх частот, що пропускає лише коливання різницевої частоти. Тоді на виході цього перемножителя буде присутній коливання виду:

де
коефіцієнт передачі фазового детектора (аналогового перемножителя).

Якщо покласти коефіцієнт передачі ФНЧ в смузі пропускання K ФНЧ \u003d 1, то напруга на вході керуючого елемента УЕ буде пропорційно косинусу поточного зсуву фаз між коливаннями:

де
, k - коефіцієнт передачі петлі зворотного зв'язку.

Керуюча напруга використовується в системі ФАПЧ для підстроювання генератора, керованого напругою ГУН. Зміна частоти ω г визначатиметься зміною зсуву фаз φ (t).

Розглянемо докладніше режими роботи системи ФАПЧ.

Залежно від початкової різниці частот ω н вхідного коливання ω С і частоти ГУН ω Г0 при розімкнутої петлі зворотного зв'язку система ФАПЧ може перебувати в різних режимах (рис. 2). На цьому малюнку пряма лінія Δω \u003d ω н відповідає розімкнутої петлі зворотного зв'язку системи ФАПЧ.

Мал. 2. Залежність різниці частот вхідного сигналу ω з і сигналу ГУН ω г від величини ω н.

Коли початкова расстройка ω Н більше смуги утримання ΔΩ У, в системі ФАПЧ спостерігається режим биття, для якого характерна відсутність рівності частот ГУН і вхідного сигналу, т. Е. Ω З ≠ ω Г. В цьому режимі різниця фаз вхідного коливання і коливання ГУН безперервно зростає, а напруга U ФД (t) на виході фазового детектора змінюється, представляючи собою коливальний напруга змінної частоти. Середня частота биття менше початкової розладу ω Н. Якщо початкова расстройка збільшується, то середня частота биття асимптотично прагне до ω Н (рис. 2). Наявність ФНЧ на виході фазового детектора ФД при інших рівних умовах призводить до зменшення амплітуди биття в порівнянні з випадком розгляду системи ФАПЧ без ФНЧ, т. Е. До утруднення введення системи в стан синхронізації. Саме тому в системах ФАПЧ з ФНЧ смуга захоплення завжди менше смуги утримання (див. Рис. 2).

При досягненні величиною | ω Н | значення ΔΩ З / 2 середня частота биття прагне до нуля, т. е. через час t З частота ГУН і частота вхідного сигналу стають однаковими, і система ФАПЧ переходить в режим захоплення. На практиці смугу захоплення ΔΩ З (рис. 2) визначають по моменту синхронізації частот ГУН і вхідного сигналу при зміні | ω Н | від великих значень до малих.

При наявності синхронізації і зміні розладу | ω Н | від нульового значення в бік збільшення очевидно, що биття коливань будуть відсутні аж до моменту зриву синхронізації при | ω Н | ≈ ΔΩ У / 2.

Система фазового автоматичного підстроювання частоти, далі ФАПЧ (зарубіжна абревіатура Phase - Locked Loop, PLL), являє собою самостійний вузол, що входить до складу різної апаратури зв'язку, систем супутникового мовлення і передачі даних, а також до складу пристроїв, які є стабільними джерелами сигналів.

Перша система ФАПЧ була розроблена в 1930 році французьким інженером Беллизи. Однак широке застосування вона отримала в 1960 році з появою перших інтегрованих ФАПЧ компонентів. Існувало традиційне упередження проти ФАПЧ, пов'язане частково зі складністю реалізації її на дискретних компонентах, а почасти - з сумнівами щодо надійності її роботи. Згодом, коли стали з'являтися високоінтегровані компоненти, що реалізують на одному кристалі практично всі необхідні (за винятком деяких зовнішніх елементів) вузли ФАПЧ, ця система, при правильному і коректному проектуванні, стала досить надійним і заслуговує на увагу вузлом.

Систему ФАПЧ можна уявити як систему з негативним зворотним зв'язком, що містить коефіцієнт посилення в прямому напрямку G (s) і коефіцієнт зворотного cвязи H (s), а також значення e (s), що характеризує різницевий сигнал між вхідним сигналом V i і сигналом ланцюга зворотного зв'язку V 0.

Передавальна функція замкнутого контуру ланцюга ООС (рис. 1) буде мати вигляд:

де, G CL - коефіцієнт передачі замкнутого контуру (від Gain Closed Loop).

де - комплексне число, що характеризує кругової вектор, а - кругова частота.

Фазовий детектор PD (Phase Detector) виробляє порівняння двох частотних сигналів і формує вихідний сигнал, пропорційний їх фазової різниці. Цей різницевий сигнал є сигнал помилки, який характеризує стабільність системи, і в сталому режимі його значення наближається до нуля. Інакше кажучи, система стабільна, коли значення e (s) дорівнює нулю. Отже, дана система, а відповідно і система ФАПЧ, є автоматичною системою регулювання або стежить системою, а мірою регулювання частоти є різниця фаз вхідного (опорного) сигналу і сигналу ланцюга зворотного зв'язку.

Розглянемо тепер стандартну базову модель ФАПЧ (рис. 2) і входять до її складу компоненти:

• фазовий детектор PD і джерело струму CP (Charge Pump);
• контурний фільтр, або фільтр нижніх частот з передавальної функцією Z (s);
• генератор керований напругою VCO (Voltage-Controlled Oscillator);
• дільник в ланцюзі зворотного зв'язку з коефіцієнтом ділення N.

У фазовому детекторі, як було сказано вище, відбувається порівняння двох частотних сигналів і формується вихідний сигнал, пропорційний їх фазової різниці. Коли обидва сигналу рівні по фазі і частоті, сигнал помилки дорівнюватиме нулю, і контур "замикається".

Можна навести таке рівняння, що характеризує значення сигналу помилки e (s):

коли e (s) \u003d 0,

звідси випливає

Коли F 0 N · F ref, на виході фазового детектора формується різницевий періодичний сигнал, який далі з виходу джерела струму подається на фільтр нижніх частот.

Цей посилений і відфільтрований сигнал фазового помилки у вигляді керуючого напруги, в свою чергу, буде керувати VCO, частота якого буде збільшуватися або зменшуватися в міру необхідності на значення K v V, де K v - чутливість VCO в МГц / В і V - зміна напруги на вході VCO. Це буде тривати до тих пір, поки значення e (s) не стане рівним нулю і контур заблокується. Отже, VCO перетворює надходить на нього вхідна напруга в похідну фази по часу, тобто в частоту. Таким чином, джерело струму і генератор керований напругою служать в якості інтегратора, який, виявляючи сигнал помилки, регулює значення вихідної частоти таким чином, щоб значення цієї самої помилки звести до нуля. За рахунок інтегрування в контурі регулювання з'являється фазовий зсув на 90º. Таким чином інтегратор, включений в контур ланцюга ООС, вносить додаткове запізнювання по фазі на 90º і на частотах, де коффіціент посилення дорівнює одиниці, може викликати самозбудження. Одне з рішень - не включати в контур регулювання компоненти, що дають додаткове запізнювання по фазі, по крайней мере, на частотах, де коефіцієнт посилення близький до одиниці.

Щоб трохи прояснити ситуацію, повернемося трохи назад. Частотою VCO можна управляти, подаючи на його вхід відповідну напругу. Тут, здавалося б, можна вчинити так само, як і в будь-якому підсилювачі зі зворотним зв'язком - ввести контур регулювання з деяким коефіцієнтом передачі, як це робиться при проектуванні схем на операційних підсилювачах. Але є одна важлива відмінність: в схемах на операційних підсилювачах регульована за допомогою зворотного зв'язку величина збігалася з величиною, яка вимірюється з метою формування сигналу помилки або була хоча б пропорційна їй. Так, наприклад, в підсилювачах напруги вимірюється вихідна напруга і відповідним чином підлаштовується вхідний. Дещо інша ситуація для системи ФАПЧ, так як тут ми вимірюємо фазу, а регулюємо частоту, тобто як було сказано вище, відбувається інтегрування, за рахунок якого з'являється той самий фазовий зсув. Однак необхідно зауважити, що операційні підсилювачі мають запізнювання по фазі на 90º майже на всьому своєму частотному діапазоні, але при цьому добре працюють.

Щоб не включати в контур елементи, що вносять додаткове запізнювання по фазі, можна запропонувати і проаналізувати один з варіантів побудови контуру регулювання, так званий "контур першого порядку", при якому в якості джерела струму виступає операційний підсилювач, але виключається зі схеми фільтр низьких частот. При такій побудові схеми вхід VCO безпосередньо пов'язаний з виходом джерела струму на операційному підсилювачі, що не дозволяє згладжувати перешкоди і флуктуації вхідного сигналу, так як дана схема не володіє так званим властивістю "маховика", яке забезпечується завдяки введенню фільтрації по низькій частоті. До того ж, "контур першого порядку» не зберігає постійним фазовий співвідношення між опорним сигналом і сигналом VCO по тій самій причині, що вихід джерела струму безпосередньо з'єднаний зі входом VCO. З усього сказаного вище можна припустити, що "контури першого порядку" не годяться для побудови контурів регулювання ланцюга ФАПЧ.

Наступний підхід - це використання "контуру другого порядку", в який вводиться додаткова фільтрація по низькій частоті. Такий контур володіє необхідною властивістю "маховика", згладжуючи тим самим перешкоди і флуктуації вхідного сигналу, до того ж він зменшує смугу захоплення, при попаданні в яку частота VCO починає стабілізуватися системою ФАПЧ. Існує також і смуга утримання, тобто максимальна смуга расстройки VCO, в якій замкнутий контур ФАПЧ стабілізує частоту VCO. Ширина смуг захоплення і утримання залежить саме від виду частотно-фазового характеристики фільтра нижніх частот і загального коефіцієнта передачі контуру регулювання. У правильно спроектованій системі ФАПЧ смуга утримання більше або дорівнює смузі захоплення, система стабільна і не самовозбуждается. Тут необхідно також відзначити, що при введенні фільтрації по низькій частоті кілька збільшується і час захоплення, яке характеризує швидкість входження в захоплення і утримання системи ФАПЧ в режимі стеження при різкій зміні частоти. Аналізуючи сказане вище, можна зробити висновок, що для системи ФАПЧ підходять "контури другого порядку", які забезпечують малі флуктуації фази вихідного сигналу, а також мають деякі властивості пам'яті або "маховика".

Повна передавальна функція для ФАПЧ може бути представлена \u200b\u200bза допомогою виразу G CL для системи негативного зворотного зв'язку:

Тут вводимо додаткове поняття Forward Gain, позначене через G, як коефіцієнт, що характеризує посилення в прямому напрямку, і поняття Loop Gain, позначене через GH, як коефіцієнт передачі контуру.

Коли величина GH більше одиниці, можна говорити, що контур замикається, і передавальна функція для системи ФАПЧ з коефіцієнтом ділення N має вигляд:

На рис. 3 представлена \u200b\u200bЗависмость вихідний частоти VCO від зміни напруги на вході.

Перш ніж приступити до розгляду методів синтезування сигналів, бажано розглянути якусь кілька абстрактну модель (рис. 4), що показує процес формування послідовності целочисленного (Integer) потоку даних.

На рис. 4 позначені:

При першому запуску системи, тобто при i \u003d 1 і n \u003d 0, P 0 буде мати якесь фіксоване значення, яке "пройшовши" через подільники M і N, дасть нам значення 1. На першому кроці до значення дільника N нічого не додавалося, так як при i \u003d 1 n \u003d 0. На другому кроці, при i \u003d 2 і n \u003d 1, ми збільшуємо значення дільника N на n і так далі. Неодмінною умовою є постійне значення на всіх етапах циклу. Здавалося б, все просто і зрозуміло, але аналізуючи весь процес, можна вивести такі вирази, які можуть стати в нагоді в аналізі роботи реальних синтезаторів.

Пошук в Інтернеті пристрою, яке відповідає заголовку цієї статті, виявився безрезультатним. На Форумах вважають, що такий пристрій можна створити. Однак, в даний час виготовлено та випробувано макет 16- розрядного АЦП на мікроконтролері (МК) ATmega 16, який входить до складу комерційного продукту.

опис схеми

На малюнку 1 показана принципова схема АЦП, намальована в програмі «Proteus 7.7». Програмування МК було виконано в IAR Embedded Workbench за допомогою «Навчального курсу» автор: Pashgan на сайті Перевірка роботи АЦП була зроблена в «залізі». Моделювання роботи АЦП в Proteus не вийшло, причина описана нижче.

Рис.1 Принципова схема 16-ти розрядного АЦП.

Детальний опис всіх елементів (мікросхем) схеми можна знайти в Інтернеті, розглянемо призначення кожного елемента в схемі АЦП.

Мікроконтролер ATmеga 16

Діаграма сигналів МК показана на малюнку 2. МК повинен формувати 2 синхросигналу фіксованої частоти 122 Гц (16 МГц / 65536 \u003d ~ 122 Гц). Таймер-лічильник МК Т1 працює в «нормальному режимі», без предделителя, з перемиканням стану виходів OC1A і OC1B, і формує на висновках 18 і 19 прямокутні імпульси, типу «меандр», які зрушені на 90 °. Для цього в регістр порівняння OCR1B записується число, що дорівнює половині максимального значення коду таймера Т1. На виході мікросхеми D4B (логічний елемент «виключає АБО») формуються прямокутні імпульси F1 подвоєною частоти (244 Гц), які надходять на перший вхід (висновок 14) Фазового Детектора (ФД) мікросхеми фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) D2. Передній фронт імпульсів F1 завжди збігається з нульовим кодом таймера Т1. В реальній схемі, через затримки в елементах схеми, початковий зсув нульового коду не перевищує 5 одиниць молодшого розряду (ОМР) таймера Т1 і має враховуватися при формуванні результату перетворення АЦП. У макеті АЦП затримка в МК - 2 ОМР (0,125 мкс) в 2-х елементах D4 - 3 ОМР (0,15 мкс)

Мал. 2. Діаграма сигналів МК і мікросхем D2 і D4.

Якщо в МК ATmtga 16 встановити режим «захоплення» стану таймера-лічильника Т1 ( «capture»), а на вхід ICP1 «захоплення» подавати прямокутні імпульси з частотою 244 Гц, передній фронт яких по фазі буде відставати від переднього фронту імпульсів F1, то в 16-ти розрядний регістр ICR1 буде зчитуватися 16-ти розрядний код фазового зсуву між передніми фронтами імпульсів F1 і F0. Вибір умовних позначень для сигналів F1 і F0 пов'язаний з логікою роботи імпульсного ФД мікросхеми D2 74HC4046. Передній фронт імпульсу F1 встановлює вихід ФД (Tx висновок 15 D2) в стан «лог.1», а передній фронт імпульсу F0 в стан «лог.0». У Proteus умовне позначення виведення 15 мікросхеми D2 «ZENER» відрізняється від позначення «PHASE COMPARATOR III», яке наведене в керівництві по застосуванню мікросхеми. На схемі малюнка 1 ця помилка залишилася, тому що не вдалося виправити графічне зображення бібліотечного елемента 74HC4046.

Для вирішення поставленого завдання: створити 16- АЦП на 8-ми розрядному AVR, необхідно пристрій, який повинен перетворювати аналоговий сигнал (наприклад, напруга) в тривалість імпульсів Тх (фазовий зсув між імпульсами F1 і F0), середня напруга яких дорівнює вхідній напрузі Ux. Це пристрій докладно описано в статті «Перетворювач напруги в тривалість імпульсу, стабілізований ФАПЧ» в журналі. Далі в описі будуть використані матеріали цієї статті, які необхідні для пояснення принципу роботи АЦП. Для відображення результатів перетворення АЦП застосований буквено-цифровий LCD дисплей ТС1602-А, D5 на малюнку 1.

Мікросхема 74НС4046 і операційний підсилювач ½ корпусу D3 (AD823)

Мікросхема 74НС4046 і операційний підсилювач (ОУ) утворюють схему ФАПЧ, на вхід якої надходить імпульсний сигнал F1. ФАПЧ - це система автоматичного регулювання з Негативною Зворотною зв'язком (ООС), підстроює частоту внутрішнього Генератора Керованого Напругою (ГУН) так, щоб його частота Fo дорівнювала частоті вхідного сигналу F1, малюнок 3. Регулювання здійснюється завдяки наявності негативного зворотного зв'язку. Вихідний сигнал ГУН, прямокутні імпульси частотою F0, порівнюється на фазовий детектор (ФД) з вхідним сигналом F1, сигнал фазового неузгодженості після фільтрації і посилення використовується для підстроювання вихідної частоти ГУН.

Рис.3 Функціональна схема ФАПЧ.

Схема ФАПЧ аналогічна схемі Операційного Підсилювача (ОУ) з тією лише різницею, що вхідний змінної є фаза коливань, а частота (швидкість зміни фази) сигналом зворотного зв'язку.

Мал. 4. Блок схема ФАПЧ.

У зв'язку з тим, що настройка здійснюється по різниці фаз, система є астатической по відношенню до частоти: в сталому режимі частота настройки точно дорівнює частоті вхідного сигналу (Fo \u003d F1), а фазовий зсув встановлюється таким, при якому вихідна напруга ФНЧ (Uгун) забезпечує рівність частот. При певних умовах, які залежать від типу ФНЧ, система ФАПЧ може бути астатической і по фазі. Більш докладний опис ФАПЧ, з висновками формул, можна знайти в інтернеті, і книгах,.

Система ФАПЧ, в основному, використовується для частотної та фазової модуляції і демодуляції, множення і перетворення частоти, частотної фільтрації або виділення опорного коливання для когерентного детектування сигналів. Зазвичай, вхідним сигналом в пристроях з ФАПЧ є частота. ФАПЧ - це система управління з петлею зворотного зв'язку, в якій параметрами регулювання є частота або фаза сигналу, а не величина його напруги або струму. У пропонованому пристрої використовується нестандартна схема включення ФАПЧ з додатковим параметром регулювання по напрузі.

Введемо в стандартну схему ФАПЧ генератор G сигналу F1 з фіксованою частотою і елемент порівняння на вході ФНЧ, який повинен порівнювати вхідна напруга Ux з вихідним сигналом ФД. Змінимо накреслення функціональної схеми ФАПЧ. На рис.5 представлена \u200b\u200bфункціональна схема перетворювача аналогового сигналу (напруги Ux) в тривалість імпульсу Tx, Фазо-Імпульсна Модуляція (ФІМ) з ФАПЧ.

Фазова модуляція (ФМ) - один з видів модуляції коливань, де фаза несучого коливання управляється інформаційним сигналом (періодична зміна фази коливань за певним законом; повільне в порівнянні з періодом коливань). З визначення ФМ слід, що є генератор синусоїдального сигналу, у якого відбувається зміна фази вихідного сигналу в часі. Цей вид модуляції використовується в радіотехніки для передачі інформації. ФМ зазвичай розглядається для синусоїдальних сигналів.

Рис.5 Функціональна схема перетворювача аналогового сигналу Ux в тривалість імпульсу Tx.

У пропонованому пристрої застосовується фазова модуляція імпульсних сигналів. Якщо застосувати імпульсний ФД з лінійної вихідний характеристикою, то ми отримаємо прецизійний перетворювач напруги Ux в тривалість імпульсу Тх. У цьому перетворювачі аналоговий вхідний сигнал Ux порівнюється з вихідним сигналом Тх (точніше, із середнім значенням імпульсу Тх за період частоти Fo (площа імпульсу Тх) зі середнім значенням Ux за той же час). Наявність ООС і великий коефіцієнт посилення (Ку) ФНЧ забезпечують високу точність перетворення і дозволяють знизити вимоги до точності і стабільності всіх елементів схеми, які охоплені ООС. Апаратна реалізація запропонованої схеми не складне завдання, в даний час випускається багато різних інтегральних схем ФАПЧ, наприклад, мікросхема CD4046 (вітчизняні аналоги 1561ГГ1 і 564ГГ1) має в своєму складі 2 типу ФД, ГУН і додаткові ланцюга управління ГУН. Мікросхема 74НС4046 функціональний аналог CD4046 має 3 типи ФД і може працювати на більш високих частотах. На рис.6 показана апаратна реалізація ФНЧ для негативних вхідних напруг.

Рис.6 Схема ФНЧ для негативних вхідних напруг.

ФНЧ виконаний за схемою Пропорційно-Інтегра фільтра на ОУ (ПІ-фільтр), який порівнює середні значення сигналів Ux і Tx за період частоти Fo, резистори R1 і R2 визначають масштабний коефіцієнт порівняння. Твір C1 * R1 (постійна часу інтегратора Ті) визначає інтегруючий ефект фільтра, резистор R3 забезпечує стійкість схеми ФІМ, а відношення R3 до R1 визначає пропорційний коефіцієнт фільтра Кп. Якщо ФД має вихідну характеристику в області позитивних напруг, то вхідний сигнал повинен мати негативну полярність. Якщо вхідний сигнал позитивний, то треба використовувати диференціальну схему включення ОУ рис.7. Елементи схеми ФНЧ повинні задовольняти наступній вимозі: R3 / R1 \u003d R4 / R2 і R1 * C1 \u003d R2 * C2.

Рис.7 Схема ФНЧ для позитивних вхідних напруг.

Вихідний сигнал ФНЧ управляє генератором (ГУН) таким чином, щоб частоти сигналів Fo і F1 були рівними, а фазовий зсув між ними був таким, щоб виконувалося рівність.

Ux / R1 \u003d (Up / R2) * Tx / T1, (1)

де Up амплітуда імпульсу Tx (Up напруга живлення ФД);

Т1 \u003d 1 / F1 період частоти на якій працює ФАПЧ.

Застосування ПІ-фільтра робить систему ФАПЧ астатической по фазі, це означає, що, якщо R1 \u003d R2, то стале значення відносної тривалості вихідних імпульсів перетворювача (Тх / Т1) визначається тільки відношенням Ux / Up і не залежить від параметрів інших елементів схеми.

Ux / Up \u003d Тх / Т1, (2)

Ux \u003d Up * Tx / T1. (3)

У формулі (3) відомими величинами є напруга живлення ФД (Up \u003d 5v) і період частоти ФАПЧ Т1 \u003d (1/16 000) * 65 536 \u003d 4,096 мс (точне значення частоти F1 \u003d 244,140625 Гц). Щоб виміряти вхідну напругу Ux необхідно виміряти тривалість імпульсу Тх (фазовий зсув між передніми фронтами імпульсів F1 і F0) і підставити в формулу (3).

Методика розрахунку елементів схеми ФАПЧ

Вихідним параметром є частота F1, на якій повинен працювати АЦП з ФАПЧ. Для розрахунку динамічних характеристик систем регулювання використовується кругова частота (кутова частота) ω \u003d 2π * F, в [рад / с], розмірність фази ⱷ в [рад]. У сталому режимі, коли частоти рівні F1 \u003d F0, вихідна характеристика ФД (висновок 15) мікросхеми D2 показана на малюнку 8.

Мал. 8 Вихідна характеристика ФД.

Коефіцієнт перетворення ФД (висновок 15 мікросхеми D2) КФД \u003d Up / 2 π [В / рад].

ГУН, що входить до складу мікросхеми D2, має 2 способи (2 входи висновки 9 і 12) управління вихідний частотою F0:
- керування напругою через вхід "VCON" (висновок 9), додатково до висновку 11 "R1" підключається резистор, вибір якого описаний в керівництві по застосуванню мікросхеми ФАПЧ;
- управління струмом через вхід "R2" (висновок 12), зазвичай цей вхід використовується для завдання початкової частоти ГУН при відсутності напруги на вхід "VCON".

На схемі малюнка 1 використовується 2-й спосіб управління частотою ГУН, тому що в цьому випадку допускається великий діапазон вихідних напруг ФНЧ, який виконаний на мікросхемі ОУ D3A (AD823). Вихідна напруга ОУ, яке може змінюватися від мінус 15 В до +15 В, перетворюється резистором R5 в ток управління частотою ГУН. Вибором номіналів елементів схеми (С2, R4 і R5), ГУН налаштовується таким чином, щоб при нульовому вихідному напрузі ФНЧ (Uгун \u003d 0 В), вихідна частота ГУН була Fo \u003d 244Гц ± 10%, а при Uгун \u003d мінус 5 В вихідна частота подвоювалася Fo \u003d 488 Гц ± 10%. Це дозволяє оптимально використовувати весь лінійний діапазон вихідної напруги ФНЧ для компенсації всіх нелінійних характеристик елементів схеми і зберігати високу точність перетворення АЦП.

Мал. 9 Вихідна характеристика ГУН.

Динамічні характеристики ФАПЧ

Для грамотного застосування ФАПЧ необхідно знати статичні і динамічні характеристики цього пристрою. В Інтернеті і можна знайти докладний висновок передавальної функції ФАПЧ для різного виконання ФНЧ. На малюнку 10 показана блок-схема лінійної моделі АЦП з ФАПЧ в сталому режимі, коли, після включення живлення, перехідний процес (пошуку і захоплення частоти F1) закінчився F0 \u003d F1. Передавальні функції елементів схеми представлені в операторної формі.

Мал. 10 Блок-схема лінійної моделі АЦП з ФАПЧ в сталому режимі.

Скористаємося готової формулою передавальної функції W (p) (математичний опис поведінки динамічної системи) ФАПЧ, в якій застосований ПІ-фільтр. Передавальна функція (4) відповідає коливального ланки 2-го порядку:

де р - комплексна змінна, яка може бути замінена на jω для побудови АФЧХ пристрої;

ωп \u003d 2π * Fп - власна кругова частота смуги пропускання ФАПЧ в [рад / с];

Fп - власна частота смуги пропускання ФАПЧ в [Гц] (частота перехідного процесу контуру ФАПЧ);

ξ - коефіцієнт демпфірування (загасання перехідного процесу) ФАПЧ.

На рис.11 показані логарифмічні АЧХ ФАПЧ в відносних одиницях власної частоти для різних значень коефіцієнта загасання ξ. Додатково, в наведені вирази, які пов'язують параметри передавальної функції ФАПЧ з параметрами пристроїв, що входять в схему перетворювача аналогового сигналу в тривалість імпульсу.

де КФД - постійна коефіцієнта передачі ФД (В / рад);

Кгун - постійна коефіцієнта передачі ГУН (рад / с * В);
Ти \u003d R1 * C1 - постійна часу інтегратора ПІ-фільтра (c);
Кп \u003d R3 / R1 - пропорційний коефіцієнт ПІ-фільтра;

Рис.11 Логарифмічні АЧХ ланки 2-го порядку.

АЧХ ФАПЧ відповідає низькочастотному фільтру 2-го порядку з частотою зрізу ωп (рад / с) (частотою перехідного процесу) і нахилом (ослабленням) 20дБ на декаду (6дб / октава). При проектуванні перетворювача з ФАПЧ треба вибрати смугу пропускання пристрою ωп \u003d 2π * Fп і коефіцієнт демпфірування (загасання) ξ на частотах вище частоти зрізу.

Визначимо розрахункові параметри реального АЦП з ФАПЧ, який показаний на малюнку 1.

Запишемо параметри елементів реального перетворювача з ФАПЧ в буквеному вираженні (див. Рис.8 і 9): КФД \u003d Uр / 2π; Кгун \u003d 2πF0 / Up; Ті \u003d 1 / F0 і F0 \u003d F1. Підставами літерні значення параметрів в формули (5) і (6), отримаємо прості (для інженерної оцінки) формули для розрахунку динамічних характеристик перетворювача з ФАПЧ.

ωп \u003d F0 [рад / с], (7)

Fп \u003d F0 / 2π [Гц], (8)

ξ \u003d Кп / 2. (9)

Підставами в формули (8) і (9) значення реального перетворювача з ФАПЧ, отримаємо наступні значення:

Смуга пропускання перетворювача з ФАПЧ Fп \u003d 244Гц / 6,28 \u003d 39 Гц;
- коефіцієнт демпфірування ξ \u003d 1/2 \u003d 0,5.

Використовуючи формули (5) і (6), можна домогтися бажаної характеристики перехідного процесу перетворення вхідного сигналу, шляхом зміни параметрів елементів схеми і частоти перетворення F0.

Результати перевірки макета АЦП з ATmega 16

Для перевірки точності перетворення вхідної напруги Ux АЦП з ФАПЧ використовувався вольтметр В7-38, який відображає вимірюється напруга 5-ма десятковими розрядами з похибкою не гірше 0,05% на межі 2В, з дозволом 0,1мВ і не гірше 0,1% на межі 20В з дозволом 1мВ.

Макет АЦП з ФАПЧ має межу вимірювання ~ 6,5B (6553,5мВ), вимірювана напруга відображається на LCD дисплей (D5) 5-ма десятковими розрядами з дозволом 0,1мВ. Вибір межі вимірювання пов'язаний з максимальним десятковим числом 65 535, яке відповідає максимальному значенню двійкового коду таймера-лічильника Т1. Джерелом опорного напруги АЦП є напруга живлення мікросхеми D2 (74HC4046), яке в макеті одно Up \u003d 5,029В (5 029,0 мВ) (виміряно В7-38). Щоб ОМР коду таймера-лічильника Т1 дорівнювала 0,1мВ, необхідно виконати умову (1), максимальний вхідний струм Uxmax / R1, повинен бути урівноважений струмом ланцюга зворотного зв'язку Up / R2 (10).

65536 / R1 \u003d 50290 / R2, (10)

R1 \u003d R2 * (65536/50290),

R1 \u003d 1,303 * R2,

R1 \u003d 130,3кОм (див Рис.1).

На схемі малюнка 1 показаний змінний резистор RV1 \u003d 1кОм, який включений послідовно з R1 \u003d 130кОм для точного налаштування масштабного коефіцієнта перетворення АЦП. У таблиці 1 і на малюнку 12 наведено результати вимірювання вхідного напруги Ux за допомогою макета АЦП з ФАПЧ і вольтметром В7-38. Напруга Ux [V] задавалося від лабораторного джерела живлення з вбудованим вольтметром. У 1-му, 2-му і 3-му стовпці таблиці 1 наведені показання вольтметрів без урахування знака (по модулю) для упращенія порівняння показань Ux, В7-38 і АЦП. У 5-те свідчення LCD дисплея АЦП, а в 4-му свідчення АЦП, в яких виключена помилка в 5 ОМР, пов'язана з початковим зміщенням переднього імпульсу F1 щодо нульового коду таймера Т1. У 6-му і 7-мом шпальтах таблиці 1 значення відносних помилок вимірювання в [%] вольтметра джерела живлення щодо В7-38 і свідчення АЦП щодо В7-38, відповідно. У показаннях LCD дисплея відсутня кома після 4-го знака, яка повинна з'явитися після доопрацювання програми МК.

Таблиця 1.

Рис.12 Графічне представлення результатів перевірки АЦП з ФАПЧ.

У додатку до листа є файл «Фото АЦПФ.xlsx» з фотографіями, на яких одночасно зафіксовані свідчення В7-38 і АЦП з ФАПЧ. Видио-ролик про експеримент має великий обсяг пам'яті і може бути переданий в редакцію, якщо буде запит.

Аналіз результатів перевірки макета АЦП з ATmega 16

Результати перевірки макета АЦП показують, що відхилення показань АЦП від показань еталонного приладу В7-38 не перевищують 0,02%. Це говорить про високу лінійності перетворення вхідної напруги в тривалість імпульсу за допомогою ФАПЧ.

Роздільна здатність АЦП, при вимірюванні напруг більше 2-х Вольт, в 10 разів вище, ніж у вольтметра В7-38 (0,1мВ у АЦП і 1мВ у вольтметра В7-38).

Стабільність показань АЦП не перевищує ± ОМР, це говорить низький рівень власних шумів методу перетворення напруги в тривалість імпульсу за допомогою ФАПЧ.
Реально в схемі АЦП з ФАПЧ порівнюються два сигнали різної форми, постійна напруга і прямокутні імпульси, які можна представити у вигляді суми постійної напруги Up / 2 і нескінченної низки синусоїдальних напруг (Тригонометричний ряд Фур'є), аплітуди яких залежить від тривалості імпульсу Тх, а частоти кратні частоті перетворення АЦП (F1).
Фільтруючі властивості ФАПЧ докладно описані в літературі. ФАПЧ є ідеальним фільтр, що загороджує перешкод з частотами кратними частоті, на якій працює АЦП. Якщо у вхідному сигналі Uх будуть присутні перешкоди з частотами F1, 2 F1, 3F1 і т.д., то вони будуть повністю пригніченим, тому що середня напруга (інтеграл) цих синусоїд за період частоти F1 дорівнює нулю. Передавальна функція (11) такого фільтра показана на рис.13.

Рис.13 Амплітудно-частотна характеристика фільтра (11).

(11)

Ця унікальна особливість ФАПЧ пояснюється інтегруючим властивістю ГУН, вихідна частота якого визначається середнім напругою за період робочої частоти F1. Тому можливо порівняння на вході ФНЧ 2-х різних за формою сигналів, постійної напруги Ux з імпульсним сигналом Tx, при цьому шуми в тривалості імпульсу Тх визначаються перешкодами з частотами, які не кратні робочої частоті ФАПЧ. З огляду на, що всі внутрішні процеси МК і АЦП синхронізуються частотою кварцового генератора МК, то імпульсні перешкоди, створювані роботою МК, не впливає на стабільність показань АЦП. Тому АЦП з ФАПЧ забезпечує роздільну здатність 16 довічних (5 десяткових) розрядів. Роздільна здатність АЦП, вбудованого в корпус МК, 10 довічних (3 десяткових) розрядів, реальна стабільність показань 8 розрядів, що на 2 порядки гірше ніж у АЦП з ФАПЧ.

Обмеження, які є в АЦП з ФАПЧ, і способи їх усунення

ФД мікросхеми ФАПЧ (74НС4046) в режимі Частотного Детектора (ЧД), коли відбувається синхронізація ГУН (захоплення частоти F1 \u003d F0), має вихідну характеристику відповідно до малюнком 14.

Рис.14 Вихідна характеристика 74НС4046 (висновок 15) в режимі ЧД.

При включенні харчування (під час перехідного процесу) можливий синхронізація схеми ФАПЧ на субгармонік робочої частоти, напрмер, F0 \u003d 1,5 * F1. Синхронізація на субгармонік робочої частоти виникає, коли вхідний си Ux знаходиться на кордоні лінійного діапазону вихідної характеристики ФД (Ux \u003d ~ 0 або Ux \u003d ~ Up).Для усунення такої синхронізації, вихідна характеристика ФД в режимі порівняння частот повинна мати релейний характеристику відповідно до малюнком 15. У режимі порівняння фаз вона повинна відповідати малюнку 8.

Рис.15 Вихідна, релейний характеристика ФД для АЦП з ФАПЧ в режимі порівняння частот F1і F0.

Готові мікросхеми ФД з такою характеристикою поки не випускають, тому можна застосувати схему релейного ФД, яка розроблена автором і приведена в додатку до статті.

Друге обмеження пов'язане з роботою перетворювача напруги Ux в тривалість імпульсу Tx, коду Ux \u003d 0В або Ux \u003d Uр. Вихідна характеристика ФД (рисунок 8) має періодичний характер з періодом 2π, тому треба зменшити (наприклад, на 2%) діапазон вхідної напруги по отношенінію напрузі харчування ФД [(Ux) max \u003d 0,95Up] і змістити початок відліку тривалості імпульсу, наприклад , на 1% (див. Рис.16). При відображенні результату перетворення АЦП за допомогою програми врахувати ці зміни в вихідний характеристики ФД.

Рис.16 Робоча область АЦП на вихідний характеристиці ФД, коли F1 \u003d F0.

висновок

Нестандартне застосування системи ФАПЧ і МК (без вбудованого АЦП) дозволило створити дешевий і прецизійний АЦП з високою роздільною здатністю і низьким рівнем власних шумів.

Граничні значення за швидкодією і роздільної здатності АЦП з ФАПЧ залежать від типу мікроконтролера.

Якщо АЦП з ФАПЧ буде широко застосовуватися розробниками електронних пристроїв, то пропоную скорочена назва «АЦПФ».

АЦПФ є ідеальним фільтр, що загороджує перешкод, які присутні у вхідному сигналі Ux, якщо частота перешкоди дорівнює робочій частоті перетворювача F1 або кратна цій частоті (2F1, 3F1 і т.д.). Якщо синхронізувати робочу частоту МК з частотою мережі 50 Гц (застосувавши ВЧ-генратор, дільник і іншу систему ФАПЧ), то перешкоди у вхідному сигналі Ux на частотах кратних 50 Гц будуть придушені, стабільність показань підвищиться.

З огляду на, що АЦПФ є ідеальним фільтр, що загороджує перешкод, можна використовувати цей пристрій для перетворення в цифровий код вихідного сигналу, наприклад, індуктивного датчика з Фазо-чутливим Випрямлячем (ФВ) на виході. Зазвичай застосовують НЧ-фільтр, щоб згладити пульсації вихідної напруги ФВ до рівня необхідної роздільної здатності АЦП. Це вносить велику запізнювання в систему контролю сигналу. Якщо застосувати АЦПФ на частоті F1 \u003d Fmod, де Fmod частота модуляції (харчування індуктивного датчика), то НЧ-фільтр не потрібно, його функцію виконає сам пристрій АЦПФ.

Сучасна технологія ПЛІС (Програмована Логічна Інтегральна Схема) ідеально підходить для створення АЦПФ в одному корпусі.

Перше застосування АЦПФ, але без мікроконтролера, яких не було 30 років тому, автор застосував для передачі з високою точністю аналогових сигналів через оптронна розв'язку телеметричних каналів апаратури супутника. Спроба отримати Авторське Свідоцтво на це технічне рішення була невдалою. Заявка на Авторське Свідоцтво, може бути, ще перебуває в ДПНТБ.

Історична довідка

Принцип фазового автопідстроювання частоти (синхронізації) діє в природі повсюдно. Синхронізація була відкрита Гюйгенсом в середині 17 століття (1650 - 1680 роки), хто спостерігав підстроювання періодів годин, що висять на одній стіні. Застосування фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) в електронних приладах почалося з 1932 року, коли француз Х. де Бельсіз першим описав схему синхронного прийому сигналів, яка була простіше і елегантніше використовувалася тоді схеми супергетеродинного прийому. Ця схема ФАПЧ на малюнку 17, в якій сигнал зворотного зв'язку змушує керований напругою автогенератор підлаштовуватися точно на частоту сигналу, що приходить, широко застосовується в багатьох сучасних пристроях обробки і передачі інформації.

http://www.dsplib.ru/content/pll/pll.html http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/harm_txt.htm
10. http://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2003_8_92.php
11. Блехман І.І. Синхронізація в природі і техніці.
12. "Електроніка: минуле, сучасне, майбутнє" (Пер. З анг. Під ред. Чл.-кор. АН СРСР В.І.Сіфорова [ "Мир"; М .; 1980 (296 с.)].

Система фазового автопідстроювання частоти (- це дуже важливий і корисний вузол, що випускається у вигляді окремої інтегральної схеми багатьма виробниками. ФАПЧ містить фазовий детектор, підсилювач і генератор, керований напругою (ГУН), і являє собою поєднання в одному корпусі аналогової і цифрової техніки. Ми розглянемо в подальшому застосування ФАПЧ для тонального декодування, демодуляції AM- і ЧМ-сигналів, множення частот, частотного синтезу, імпульсної синхронізації сигналів від шумливих джерел (наприклад, магнітної стрічки) і відновлення «чистих» сигналів.

Існує традиційне упередження проти ФАПЧ, пов'язане частково зі складністю реалізації ФАПЧ на дискретних компонентах, а почасти з сумнівами щодо її надійної роботи.

Мал. 9.67. Схема фазового автопідстроювання частоти.

З появою недорогих і простих у застосуванні пристроїв ФАПЧ перша перешкода для їх широкого застосування було подолано. При правильному проектуванні і коректному застосуванні пристрою ФАПЧ стають такими ж надійними елементами схеми, як операційні підсилювачі або тригери.

На рис. 9.67 показана класична схема ФАПЧ. Фазовий детектор - пристрій, який здійснює порівняння двох вхідних частот, і формує вихідний сигнал, пропорційний їх фазової різниці (якщо, наприклад, частоти розрізняються, то на виході з'явиться періодичний сигнал на разностной частоті). Якщо не дорівнює, то відфільтрований і посилений сигнал фазового помилки буде впливати на частоту ГУН, змінюючи її в напрямку. При нормальних умовах ГУН швидко виробляє «захоплення» частоти, підтримуючи постійний фазовий зрушення по відношенню до вхідного сигналу.

Оскільки відфільтрований вихідний сигнал фазового детектора є сигналом постійного струму, а керуючий вхідний сигнал ГУН-заходом вхідний частоти, абсолютно очевидно, що ФАПЧ можна застосовувати для ЧС-детектування і тонального декодування (використовується при цифровій передачі по телефонних лініях). Вихідний сигнал ГУН - це сигнал місцевої частоти, рівної, таким чином, ГУН видає чистий опорний сигнал, який може містити шуми. Оскільки вихідний сигнал ГУН може мати будь-яку форму (трикутну, синусоїдальну і т. П.), Це дозволяє формувати, припустимо, синусоїдальний сигнал, синхронізований з послідовністю вхідних імпульсів.

В одному з найпоширеніших застосувань ФАПЧ між виходом ГУН і фазовим детектором включають лічильник по модулю, забезпечуючи, таким чином, множення вхідних еталонної частоти. Це - ідеальний метод генерації імпульсів синхронізації на частотах, кратних частоті напруги, для інтегруючих АЦП (двостадійний і з уравновешиванием заряду) з повним придушенням перешкод на мережевий частоті і її гармоніках. Подібні схеми є основними при побудові частотних синтезаторів.

Компоненти ФАПЧ.

Фазовий детектор. Існують два основних типи фазових детекторів, які іноді називають тип 1 і тип 2. Фазовий детектор типу 1 призначений для роботи з аналоговими сигналами або цифровими сигналами прямокутної форми, а детектор типу -для роботи по логічним переходах (фронтах). Типовим представником детекторів типу 1 є детектор 565 (лінійний), а детектор КМОП 4096 можна віднести і до того, і до іншого типу.

Найпростішим фазовим детектором є детектор типу 1 (цифровий), який представляє собою простий вентиль виключає Або (рис. 9.68). На малюнку показана залежність вихідної напруги від різниці фаз при використанні фільтра низьких частот і прямокутного вхідного коливання зі шпаруватістю 50%. Фазовий детектор типу 1 (лінійний) має аналогічну залежність вихідної напруги від фазової різниці, хоча його схема являє собою «чотириквадрантний умножитель», відомий також під назвою «балансний змішувач». Фазові детектори цього типу, що володіють високою лінійністю, знаходять широке застосування в синхронному детектуванні, яке ми розглянемо в розд. 15.15.

Фазовий детектор типу 2 має чутливість лише по відношенню до розташування фронтів сигналу і вхідного сигналу ГУН, як показано на рис. 9.69.

Мал. 9.68. Фазовий детектор (тип 1), виконаний за схемою виключає Або.

Схема фазового компаратора генерує вихідні імпульси або відставання, або випередження в залежності від того, коли з'являються логічні переходи вихідного сигналу ГУН, після або до переходів опорного сигналу відповідно. Ширина цих імпульсів дорівнює проміжку часу між відповідними фронтами, як показано на малюнку. Під час дії цих імпульсів вихідна схема або відводить, або віддає струм, а в проміжках між імпульсами знаходиться в розімкнутому стані, формуючи залежність між вихідною напругою і різницею фаз, показану на рис. 9.70. Процес абсолютно не залежить від шпаруватості імпульсів на вході на відміну від ситуації з розглянутим раніше фазовим компаратором типу 1. Інший привабливою особливістю цього фазового детектора є те, що імпульси на виході повністю зникають, коли два сигналу засінхронізіровани. Це означає, що на виході відсутні «пульсації», які викликають періодичну фазову модуляцію в контурі, як це має місце при використанні фазового детектора типу 1.

Мал. 9.69. Фазовий детектор (тип 2) випередження-відставання, що працює «по фронтах».

Порівняємо властивості фазових детекторів двох основних типів:

Існує ще одна відмінність між цими двома типами фазових детекторів. Детектор типу 1 завжди генерує вихідний коливання, яке в подальшому має фільтруватися за допомогою фільтра контуру регулювання (більш докладно обговоримо це пізніше). Таким чином, ФАПЧ з фазовим детектором типу 1 містить контурний фільтр, який працює як фільтр нижніх частот, що згладжує логічний вихідний сигнал повної амплітуди. В такому контурі завжди присутня деяка залишкова пульсація і, отже, періодичні фазові зміни. У тих схемах, де ФАПЧ використовується для множення або синтезу частот, до вихідному сигналу додаються ще й «бічні смуги фазової модуляції» (див. Розд. 13.18).

Фазовий детектор типу 2, навпаки, генерує вихідні імпульси тільки тоді, коли між опорним сигналом і сигналом ГУН є фазова різниця. Оскільки в іншому випадку вихід фазового детектора виглядає як розімкнена ланцюг, конденсатор контурного фільтра працює як елемент запам'ятовування напруги, підтримуючи напругу, що зберігає необхідну частоту ГУН. Якщо опорний сигнал «йде» по частоті, то фазовий детектор генерує послідовність коротких імпульсів, заряджаючи (або розряджаючи) конденсатор до нового напруження, необхідного для того, щоб знову повернути ГУН в синхронізм.

Генератори, керовані напругою. Важливим компонентом ФАПЧ є генератор, частотою якого можна управляти, використовуючи вихідний сигнал фазового детектора. Деякі ІМС ФАПЧ містять ГУН (наприклад, лінійний елемент 565 і КМОП-елемент 4046). Крім того, є окремі ІМС ГУН, перераховані в табл. 5.4. Цікавий клас ГУН складають елементи з синусоїдальним виходом (8038, 2206 і т. П.), Оскільки вони дозволяють генерувати чисте синусоїдальне коливання, засінхронізірованное з вхідним коливанням «страшного» виду. Слід згадати ще один клас ГУН, напруги в частоту », які зазвичай проектуються з оптимальною лінійністю; вони мають, як правило, скромну максимальну частоту (до 1 МГц) і виробляють імпульси з логічними рівнями (див. розд. 5.15).

Слід пам'ятати про те, що частота ГУН не обмежується швидкістю спрацьовування логічних схем. Можна, наприклад, використовувати радіочастотні генератори, настроюються за допомогою варактора (діод із змінною ємністю) (рис. 9.71).

Просуваючись відповідно з цією ідеєю ще на один крок, можна було б навіть використовувати такий елемент, як відбивний клістрон, - мікрохвильовий (гігагерцевий) генератор, з електричною налаштуванням за рахунок зміни напруги на відбивачі. Зрозуміло, ФАПЧ, яка використовує такі генератори, зажадає радіочастотний фазовий детектор.

Залежність частоти від напруги, що управляє ГУН, використовуваного в ФАПЧ, може не мати високу лінійність, однак в разі великої нелінійності коефіцієнт посилення в контурі буде змінюватися відповідно до частоти сигналу і доведеться забезпечувати більший запас стійкості.