Автоматическая подстройка частоты

Профессиональные радиоприемные устройства должны обеспечивать вхождение в связь без поиска и ведение связи без подстройки. Эта задача решается повышением частотной точности приемника и применением системы автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Система АПЧ позволяет осуществить коррекцию неточности первоначальной установки частоты настройки приемника и уменьшить расстройку, возникающую в процессе приема сигнала за счет нестабильности гетеродина приемника и частоты передатчика. При этом можно использовать более узкую полосу пропускания приемника и нет необходимости следить за настройкой приемника на частоту сигнала.

Система АПЧ содержит, кроме элементов основного тракта приемника, дополнительные элементы – дискриминатор и управитель. Дискриминатор предназначен для определения величины отклонения частоты от ее номинального значения. Управитель обеспечивает необходимое изменение частоты управляемого генератора.

Системы АПЧ радиоприемных устройств разделяются на две большие группы: системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации промежуточной частоты приемника, и системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации частоты гетеродина.

Пример первой системы показан на рис.121.

f_r f_np

U_ynp

Рисунок 121 – Структурная схема системы АПЧ:

1- смеситель; 2- гетеродин; 3-управитель; 4- дискриминатор; 5- УПЧ

Усиленное напряжение промежуточной частоты подводится к дискриминатору 4. В случае отклонения промежуточной частоты от номинального значения на выходе дискриминатора вырабатывается управляющее напряжение. Оно воздействует на управитель 3, который изменяет частоту гетеродина 2 таким образом, чтобы сохранить номинальное значение промежуточной частоты. В этой системе АПЧ происходит стабилизация промежуточной частоты независимо от причины ее изменения.

Радиоприемное устройство, предназначенное для работы в диапазоне частот, не обязательно должно иметь плавную настройку на любую частоту. Плавная настройка может быть заменена дискретной на ряд частот диапазона, разделенных определенными малыми интервалами. В устройствах, называемых синтезаторами частоты, на основе использования принципа частотного синтеза из частоты единственного опорного кварцевого генератора путем простых преобразований: умножения, деления, сложения и вычитания получают рабочую сетку частот.

Декадные синтезаторы частоты используются для обеспечения возможности получения колебаний нужной частоты посредством простого цифрового набора. Для набора частоты используется ряд одинаковых переключателей, количество которых соответствует числу знаков в числовом выражении частоты.

Здесь цепью регулирования охватывается только гетеродин и стабилизируется только его частота.

По типу дискриминатора различаются два вида системы АПЧ – частотная и фазовая.

В системе частотной АПЧ (ЧАПЧ) применяется частотный детектор, реагирующий на изменение частоты входного напряжения и вырабатывающий управляющее напряжение, величина и знак которого определяются величиной и знаком ухода частоты.

Чувствительным (к отклонению промежуточной частоты от номинальной) элементом подстройки – дискриминатором – служит частотный детектор (ЧД). На его выходе получается напряжение, полярность и величина которого зависят от знака и величины ухода частоты.

Рисунок 122 – Структурная схема ЧАПЧ

Сигнал с выхода УПЧ подводится к ЧД. Полученное при отклонении частоты напряжение подводится с выхода ЧД к устройству, управляющему частотой гетеродина. После ЧД включается сглаживающий фильтр, в котром отфильтровываются колебания частот модуляции. Частота настройки ЧД должна соответствовать настройке усилителя промежуточной частоты.

Если промежуточная частота сигнала соответствует частоте, на которую настроен ЧД, то напряжение на выходе ЧД равно нулю. Отклонение промежуточной частоты от номинала приведет к появлению напряжения на выходе детектора. Напряжение подействует на управляющее устройство (варикап), которое подействует на гетеродин и изменит его частоту в таком направлении, чтобы возникшая расстройка устранялась.

При изменении направления ухода частоты гетеродина и промежуточной частоты полярность напряжения на выходе ЧД меняется на обратную. В результате и гетеродин перестраивается в противоположную сторону, что и требуется.

В системе фазовой АПЧ (ФАПЧ) (рис.123) используются опорный генератор и фазовый детектор, реагирующий на разность фаз напряжений сигнала ( ).

Фазовый дискриминатор вырабатывает управляющее напряжение, величина и знак которого зависят от разности фаз.

Рисунок 123 – Структурная схема ФАПЧ

Для частотного дискриминатора U_y =0 при D¦=0, а для фазового – при Dj=p/2. Выработанное дискриминатором напряжение воздействует на управитель, который изменяет частоту гетеродина так, чтобы свести к минимуму расхождение частоты сигнала и настройки приемника.

Схемы управителей можно разделить на две большие группы: электромеханические и электронные. В схеме АПЧ с электромеханическим управителем используется чувствительный электродвигатель, который при помощи редуктора связан с конденсатором настройки гетеродина или с вспомогательным конденсатором подстройки. Под действием управляющего напряжения двигатель поворачивает ротор конденсатора и изменяет частоту гетеродина в нужном направлении и на необходимую величину. Электронные управители не содержат механических элементов. Управление частотой гетеродина осуществляется с помощью управляемых реактивных элементов (варикапы, транзисторы, ферромагнитные элементы и т.д.).

В гетеродинах на клистронах и лампах обратной волны (ЛОВ) управление частотой осуществляется изменением напряжения на отражательном электроде (клистрон) или между катодом и спиралью (ЛОВ). Независимо от типа управители можно оценивать характеристикой D¦=j(U_у)

Любое изменение частоты гетеродина вызовет такое же изменение Величина остаточной расстройки не может быть сведена к нулю, как и в любой системе обратного регулирования. Она определяется точкой пересечения характеристик управителя и дискриминатора. Точка пересечения характеристик является точкой устойчивого равновесия системы АПЧ, к которой система приходит после завершения переходного процесса. Эффективность системы частотной АПЧ можно характеризовать отношением, которое называют коэффициентом автоподстройки:

.

Полагая характеристики линейными, можно показать, что

,

где - крутизна дискриминатора;

- крутизна управителя.

Коэффициент автоподстройки тем больше и эффективность системы АПЧ тем выше, чем больше крутизна характеристики дискриминатора и управителя.

В практических системах АПЧ можно получить . Если считать характеристики управителя неограниченно прямыми, смещенными относительно нуля на величину исходной расстройки D¦_н, а характеристику дискриминатора – имеющей ее реальный вид, то для различных начальных расстроек D¦_н1, D¦_н2 и D¦_н3 можно получить семейство динамических характеристик. Точки пересечения характеристик в области «0а» являются точками устойчивого равновесия, а в области «abc» - точками неустойчивого равновесия, так как в ней . При расстройках , происходящих от 0 в сторону их увеличения и не превышающих величины , система АПЧ эффективно воздействует на частоту гетеродина и достигается остаточная расстройка, соответствующая точке устойчивого равновесия. Полоса частот, равная , называется полосой удержания системы АПЧ. Любые расстройки, не превышающие полосы удержания, как первоначальные, так и возникающие в процессе работы АПЧ, будут уменьшаться. Если первоначальная расстройка равна или больше , то частота установится вблизи точки 1 или более удаленной, практически равной . Остаточная расстройка окажется равной начальной, АПЧ работать не будет. То же произойдет и при мгновенном скачке за пределы полосы удержания во время работы АПЧ. Если теперь уменьшать начальную расстройку, то АПЧ начнет работать только тогда, когда будет равна , так как точка пересечения характеристики, скачком пройдя неустойчивый участок ba, окажется в устойчивой точке 2. Полоса частот, равная , называется полосой захватывания АПЧ.

Эффективность системы АПЧ тем выше, чем больше и шире полоса захватывания и удержания. В системе ЧАПЧ трудно получить оцень высокую точность, поэтому в тех случаях, когда остаточная расстройка не должна превышать единиц герц, применяют ФАПЧ. Система ФАПЧ также характеризуется коэффициентом автоподстройки, полосами захватывания и удержания.

При расхождении двух колебаний по частоте опорного (равного ) и поступающего от УПЧ между ними получается изменяющийся сдвиг по фазе. Действительно, напряжение вида

можно представить в виде: ,

где - изменяющийся фазовый угол.

Если, например, разница по частоте равна 1 Гц, то за 1с одно колебание смещается относительно другого на целый период, т.е. угол фозового сдвига изменяется за 1с на 2p. В случае разницы по частоте – 0,1 Гц расхождение за целый период произойдет за 10с, а за 1с фазовый сдвиг изменится на 0.1 периода, т.е. по углу на 36° и т.д. если подвести оба колебания к фазовому детектору, то на выходе появится напряжение , которое зависит от фазового сдвига и при некоторых его значениях достигает максимума. Фазовый сдвиг и напряжение на выходе ФД будут достигать значительной величины при сколь угодно малом расхождении по частоте, хотя при этом изменение фазы будет происходить соответственно медленно.

Таким образом, ФАПЧ реагирует даже на самые малые расхождения частот, т.е. очень чувствительна.