Цифровые системы автоматической автоподстройки частоты

Цифровые системы АПЧ (ЦАПЧ) позволяют длительное время удерживать неизменной частоту не очень стабильного перестраевомого генератора в любой точке настройки. Система ЦАПЧ с кварцевой стабилизацией по точности поддержания частоты не уступает синтезатору частоты, но существенно проще его. Для создания такой системы в приемник с цифровым отсчетом частоты настройки необходимо ввести лишь компаратор и интегратор. Системе ЦАПЧ с кварце­вой стабилизацией свойственны и некоторые недостатки. В кольце этой ЦАПЧ нет средств установки частоты, поэтому в режиме настройки кольцо должно быть разорвано. При быстрых изменениях дестабилизирующих факторов (например, при прохождении импульсной помехи на вход интегра­тора) возможно снижение точности настройки, перестройка гетеродина на соседнюю частоту сетки.

В системе ЦАПЧ, не требующей применения кварцевого резонатора, кольцо образовано гетеродином Г, формирователем прямоугольных импуль­сов Ф, цифровым преобразователем частота – напряжение ЦПЧН, диффе­ренциальным усилителем (ДУ) и интегрирующей цепью И (рис. 4.2). Вы­ходное напряжение ЦПЧН, пропорциональное частоте гетеродина, поступает на один из входов ДУ. На другой его вход поступает напряжение от потен­циометра настройки U_Н, которое можно рассматривать как опорное. Выход­ное напряжение ДУ через интегрирующую цепь И подводится к варикапу контура гетеродина. При различии напряжений на входах ДУ на его выходе появляется сигнал ошибки, который в зависимости от полярности заряжает или разряжает конденсатор интегрирующей цепи. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение ошибки не станет равным нулю, чем и закон­чится процесс точной установки частоты гетеродина. Таким образом, при достаточной стабильности параметров ЦПЧН и ДУ и достаточном усилении в кольце ЦАПЧ частота гетеродина будет определяться опорным напряже­нием на движке потенциометра настройки.

Рис. 5.1. Структурная схема цифровой системы АПЧ

Рис. 5.2. Структурная схема цифрового преобразователя частота-напряжение

Один из вариантов построения ЦПЧН показан на рис. 4.3. Прямо­угольные импульсы с частотой гетеродина от формирователя поступают на вход делителя частоты ДЧ в k раз и далее на дифференцирующую цепь ДЦ. На выходе ДЦ образуются короткие импульсы с периодом повторения Т = 1/(f _Г/ К) = К / f _Г, которые поступают на вход S RS -триггера непосред­ственно, а на вход R через линию задержки ЛЗ. На выходе Q триггера обра­зуются прямоугольные импульсы с тем же периодом Т и длительностью τ_И, которая, как видно из временных диаграмм (рис. 4.4 а), определяется со­отношением

, (4.1)

где τ_З – время задержки в ЛЗ;

n = 0, 1, 2, … – целая часть числа τ_З / Т.

На выходе Q триггера образуются инвертированные импульсы, которые поступают на вход инвертора DD 2.1 с открытым коллекторным выходом. На выходе DD 2.1 и на выходе Q триггера полярности импульсов совпа­дают. В установившемся режиме напряжение на выходе интегрирующей цепи R2C1 , где U ₍₁₎ – напряжение логической 1, определяющее амплитуду прямоугольного импульса в цифровом устройстве.

С учетом (3.1) получается выражение

, (4.2)

которое представляет зависимость выходного напряжения ЦПЧН от частоты гетеродина (рис. 4.4 б). Внутри каждого интервала, определяемого шагом перестройки Δ f _П, выходное напряжение строго пропорционально f _Г/ К и с из­менением n линейный закон строго повторяется. Приняв в (4.2) U _с = U ₍₁₎ при n = 0, получим соотношение для шага перестройки Δ f _П = К / τ_З и на (3.2) найдем

. (4.3)

а б

Рис. 5.3. Временные диаграммы (а) и частотные характеристики (б) ЦЧПИ

Таким образом, при выбранном τ_З шаг перестройки полностью определя­ется коэффициентом деления частоты К. Из (4.4) видно, что U_c, определяю­щее в конечном счете f _г, зависит от U ₍₁₎, которое, в свою очередь, опреде­ляется стабильностью напряжения питания U _П и напряжения насыщения транзисторов в ИМС. Для уменьшения влияния этих факторов в ЦПЧН при­менена компенсация изменений U ₍₁₎. Для этого U_c сравнивается с опорным напряжением U_Н с потенциометра настройки R3, который включен между источником питания и выходом инвертора DD 2.2. К входу DD 2.2 постоянно подведено U _П(U ₍₁₎), поэтому его выход всегда находится в состоянии логиче­ского 0 (напряжение насыщения тран­зистора). Следовательно, напряжение U_Н может изменяться в пределах 0 и 1. В этих же пределах изменяется U_c при изменении f _г в пределах шага перестройки. Таким образом, любое изменение U _П или температуры вызо­вет одинаковые изменения U_Н и U_c, которые подводятся к входам ДУ. Поэтому сигнал ошибки на выходе ДУ не появится.

5.2.2. Разработка принципиальной схемы АПЧ

5.2.2.1. Принципиальная схема и расчет формирователя
прямоугольных импульсов

Импульс с зашумленным и не сформированным фронтом и срезом малопригодны для переключения тактовых входов триггеров, регистров, счетчиков и других цифровых элементов из-за неопределенности времени срабатывания этих элементов. В таких случаях необходимо использовать схему, формирующую прямоугольные импульсы. Для этой цели идеально подходит так называемый триггер Шмидта, представляющий собой двухкаскадный усилитель (двойной триод), охваченный слабой положительной обратной связью.

Рис. 5.4. Микросхема 7414

Возьмем микросхему 7414, выпускаемую фирмой Siemens AG, включающую в себя 6 триггеров Шмидта. Выводы А являются входами, а Y – выходами, с которых снимаются прямоугольные импульсы с напряжением U _вых = 5 В. На вывод 14 подается питание +5 В, вывод 7 – общий.