8. Подключив генератор пилообразного напряжения к входу генератора входного сигнала, управляемого напряжением, и установив начальную расстройку Df собственных частот генератора входного сигнала и ГУН, обеспечивающую отсутствие захвата, определить полосу захвата ФАП 1-го и 2-го порядка.

9. Подключив генератор пилообразного напряжения к входу генератора входного сигнала, управляемого напряжением, и установив нулевую начальную расстройку Df собственных частот генератора входного сигнала и ГУН, определить полосу удержания ФАП 1-го и 2-го порядка.

10. Анализируя сигнал управления на входе ГУН, определить время ввода в синхронизм ФАП 1-го и 2-го порядка при начальных расстройках в диапазоне значений [-1,1] с шагом 1.

11. Построить зависимость полосы захвата ФАП 1-го и 2-го порядка от коэффициента усиления петли обратной связи ФАП. Коэффициент усиления менять от 10 до 4 с шагом 2.

12. Подключить к входу ФАП гармонический сигнал с начальной расстройкой в пределах полосы захвата и сигнал с выхода генератора нормального шума. С помощью измерителя средне - квадратичных значений определить дисперсию сигнала управления и величину фазового джиттера сигнала ГУН, а также определить отношение сигнал-шум внутри кольца ФАП и на ее входе.

Рис.6. Временная диаграмма сигнала управления ГУН ФАП первого порядка при линейном изменении частоты входного сигнала, иллюстрирующая режимы биений, захвата, удержания и срыва синхронизма: Sу = 1 Гц/В, время анализа 40 с, скорость изменения частоты входного сигнала 0.2 Гц/с, полоса удержания равна полосе захвата Δf_уд = Δf_з = 1 Гц, режим слежения наблюдается на временном интервале tÎ [23, 28] с.

Основные определения

Рис. П.1.1 Структурная схема системы фазовой автоподстройки частоты

Рис. П.1.2 Характеристика управления ГУН

Структурная схема системы ФАПЧ представлена на рис.П.1.1 Она состоит из фазового детектора (ФД), фильтра низкой частоты петли регулирования, управляемой системы (УС), включающей генератор, управляемый по частоте напряжением (ГУН), и управляющий элемент (УЭ).

Управляющий элемент предназначен для изменения частоты управляемого генератора.

Зависимость частоты генератора f_г от уровня управляющего напряжения U_у называют характеристикой управления f_г (U_у ) (рис.П.1.2). Обычно используют линейный участок этой характеристики. Крутизна управления, или по-другому крутизна управителя, определяется по формуле S_у = Df_г / DU_у и имеет размерность Гц/В.

Фазовый детектор (ФД) создает напряжение, определяемое разностью фаз j колебаний управляемого генератора j_г и колебаний опорного генератора j_о.

Зависимость напряжения U_д на выходе ФД от разности фаз сравниваемых сигналов j = j_г - j_о называют дискриминационной характеристикой фазового детектора U_д (j), а S_д = dU_д /dj - крутизной дискриминационной характеристики, или по-другому крутизной дискриминатора, с размерностью В/Гц. Удобно пользоваться нормированной дискриминационной характеристикой

F (j) = U_д (j) /E,

где E - максимальное напряжение на выходе ФД, которое зависит от амплитуд сравниваемых сигналов и схемы ФД. F (j) - периодическая функция, изменяющая свое значение в пределах ±1.

Характеристика ФД может иметь синусоидальную, рис.П.1.3а, треугольную, рис.П.1.3б, а также знаковую, трапецеидальную или пилообразную формы в зависимости от схемы ФД.

Рис. П.1.3 Нормированные характеристики ФД

Фильтр нижней частоты (ФНЧ) применяется для выделения полезной низкочастотной составляющей из сигнала на выходе фазового детектора. В петле ФАП для повышения порядка могут быть применены идеальный и неидеальный интегрирующие фильтры. Неидеально-интегрирующий фильтр характеризуется коэффициентом передачи K (p) = 1/ (1+pT), где T = R*C, рис.1.4а. Пропорционально-интегрирующий фильтр с неидеальным интегратором, рис.1.4б, имеет коэффициент передачи K (p) = (1 + p m T) / (1 + p T), где T = C* (R+R1), m = R1/ (R+R1). Коэффициент передачи пропорционально-интегрирующего фильтра с идеальным интегратором описывается выражением K (p) = ( (а + p) / p), где а - коэффициент передачи интегрирующей ветви.

Рис. П.1.4 Схемы неидеальных ФНЧ:

а) неидеальный интегрирующий фильтр;

б) неидеальный пропорционально-интегрирующий фильтр

Функционирование системы ФАП состоит в следующем. Гармонический сигнал с частотой w_г и фазой j_г с выхода управляемого генератора ФАП поступает на первый вход фазового детектора, на второй вход которого поступает входной гармонический сигнал от опорного генератора с частотой w_о и фазой j_о . Разность частот (f_{г -} f_о) = Δf_н в начальный момент времени определяет начальную частотную расстройку Δf_н системы ФАП. Амплитуда напряжения U_д на выходе ФД зависит от разности фаз сигналов на его входах. Полученное напряжение U_д , после низкочастотной фильтрации, поступает на управляющий элемент, который так изменяет частоту управляемого генератора ФАП, что бы его частота w_г и частота w_о стали равными, а разность фаз на выходе ФД постоянной. Для обеспечения режима захвата и последующего удержания крутизна дискриминатора S_д и крутизна управителя S_у должны быть противоположными по знаку.

Соответственно ФАП, как система автоматического регулирования, является адаптивным (следящим) фильтром, обеспечивающим фильтрацию входного сигнала путем изменения частоты ГУН сигналом управления, формируемого, в общем случае, на выходе фильтра петли ФАП, который подключен к выходу фазового детектора. Для ФАП 1 - го порядка фильтр петли ФАП отсутствует и U_у = U_д . В зависимости от параметров кольца система ФАП может работать как при постоянной так и при изменяющейся частотной расстройке между входным сигналом ФАП и сигналом ГУН.