Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Первая компонента в полученном выражении 1.4 является бесполезной составляющей постоянного тока. Вторая компонента – это первая гармоника частоты сравнения, которая так же, как и вторая, отфильтровывается, и третья – собственно характеристика детектирования.

На рисунке 1.2 представлена практическая схема детектора (А) и его характеристики детектирования (Б).

Рис.1.2. Схема ФД (А) и его характеристики детектирования (Б)

Как отмечалось выше, это обычный амплитудный детектор, и принцип действия такого ФД можно пояснить, рассматривая его как схему детектирования на диоде Д суммы двух гармонических колебаний с амплитудами U₁ и U₂, получаемых через трансформаторы Тр1 и Тр2 от источников опорного и подстраиваемого сигналов (соответственно V_оп и V_гун). Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получается колебание той же частоты, амплитуда которого зависит как от амплитуд исходных колебаний, так и от разности их фаз. Результат детектирования E (φ) выделяется на резисторе R и ёмкости C. Последняя служит для шунтирования исходных высокочастотных колебаний.

Что касается характеристики детектирования, то здесь необходимы некоторые уточнения. Формула 1.4 для характеристики детектирования получена в предположении, что в ряде Маклорена 1.1 учтена только квадратурная компонента. Характеристика при этом имеет вид косинусоиды (кривая 1 на рисунке 1.2-Б). Чтобы получить такой её вид необходимо, чтобы одно из напряжений, например U₁ от опорного источника V_оп было бы достаточно большим и значительно превосходило по уровню напряжение U₂ от другого, подстраиваемого источника V_ГУН. Если же подходить ближе к условию U₁≈U₂, то характеристика сильно искажается и больше похожа на циклоиду (кривая 2). Кривые масштабированы таким образом, что их максимальные уровни одинаковы.

Каждая из приведенных характеристик имеет нисходящую и восходящую ветви. При этом здесь и далее надо иметь в виду, что при наличии двух подобных ветвей с положительной и отрицательной крутизной в системе ФАПЧ автоматически используется та ветвь, при которой обеспечивается отрицательная обратная связь. Характеристики имеют малый линейный участок, особенно в случае U₁≈U₂. Другой недостаток схемы – это зависимость выходного уровня от величины напряжений исходных сравниваемых по фазе колебаний. Характерно, что выход детектора однополярный.

1.2. Двухтактный (балансный) диодный фазовый детектор

Такой детектор называют также синусоидальным [2] по той причине, что на его входе действуют два сравниваемых по фазе синусоидальных сигнала и его статическая характеристика также близка по форме к синусоиде.

Ещё одним существенным недостатком однотактного ФД, рассмотренного выше, является то, что его характеристика детектирования приподнята на величину, пропорциональную выражению (A²+B²) /2 (см. кривую 1 на рисунке 1.2), то есть эта величина изымается из возможного размаха характеристики и потому является не только бесполезной, но и вредной: из-за неё размах характеристики соответственно сокращается. Уменьшить названную величину, чтобы увеличить размах характеристики, можно лишь за счёт ухудшения линейности характеристики, как это видно из кривой 2 на том же рисунке. Для решения этой проблемы используют балансный детектор.

Сущность баланса состоит в том, что используются два идентичных однотактных детектора, включенных в общую схему. Каждый однотактный детектор имеет те же два входа с той лишь особенностью, что фаза одного из них инвертирована на одном диоде относительно фазы на другом диоде. Благодаря этому, постоянные составляющие на выходе каждого из них вычитаются на общем выходе.

Схема детектора показана на рисунке 1.3-А.

Рис. 1.3. Схема ФД (А) и его характеристика детектирования (Б)

Она состоит из двух трансформаторов Тр1 и Тр2, осуществляющих сложение колебаний опорной частоты и чстоты ГУН, и двух идентичных амплитудных детекторов. На верхний детектор (диод Д1) воздействует сумма напряжений U₁/2 и U₂, в результате чего на резисторе R1 возникает падение напряжения U₃. Нижний диод Д2 детектирует разность этих напряжений, и на резисторе R2 создаётся падение напряжения U₄, противофазное по отношению к U₃. Выходное напряжение E (φ), после фильтрации с помощью ёмкостей С1 и С2, представляет собой разность напряжений U₃ и U₄. Когда сдвиг фаз между U₁ и U₂ составляет φ=, то напряжение E (φ) на выходе схемы равно E (φ) =0. При сдвиге фаз, отличающемся от E (φ) становится положительным или отрицательным в зависимости от знака сдвига относительно значения φ= как это показано, например, на диаграмме Б.