Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Схема индикации захвата показана на рисунке 4.2. Она содержит [3] последовательно соединённые квадратурный (когерентный амплитудный) детектор, сглаживающий фильтр и пороговый элемент с инвертером. На схеме показан также выход АУУ (Автоматическое Управление Усилением в петле ФАПЧ), назначение которого будет пояснено в следующем разделе. На входах квадратурного детектора действуют сигналы с опорной фазой φ_г и управляемой фазой φ_с, сдвинутой фазовращателем Фвр на угол 90 градусов относительно фазы управляемого генератора.

Рис.4.2. Схема индикатора захвата

Положим, к примеру, что напряжение на выходе основного ФД (в петле ФАПЧ) пропорционально Sinθ, где θ=φ_г-φ_с. Тогда напряжение на выходе квадратурного детектора оказывается пропорциональным Cosθ. Это значит, что в режиме синхронизма, когда θ≈0, основной ФД выдаёт близкое к нулю напряжение, в то время как квадратурный детектор наоборот – напряжение, близкое к его максимально возможному значению. Напряжение с выхода квадратурного детектора, через сглаживающий фильтр, поступает на вход порогового элемента и переводит его в состояние логической единицы, которая затем инвертируется на выход в логический ноль. В качестве порогового элемента может использоваться триггер Шмидта. Логический ноль на выходе индикатора захвата является сигналом, что никакого воздействия на систему ФАПЧ не требуется.

При отсутствии синхронизма в системе ФАПЧ возникают биения на выходе квадратурного детектора (как и на выходе основного ФД). Среднее значение напряжения биений на выходе сглаживающего фильтра при достаточно большом частотном рассогласовании, когда форма биений приближается к синусоидальной, близко к нулю. В этом случае пороговый элемент выдаёт логический ноль, инвертируемый на выход в единицу. Эта единица и является сигналом отсутствия синхронизма в системе ФАПЧ. Как только система выпадает из синхронизма, возникает импульс на выходе индикатора захвата, который замыкает ключ, например, в схеме ФНЧ, показанной на рисунке 4.1-В. После установления синхронизма импульс исчезает, ключ размыкается, и система ФАПЧ переходит в режим удержания частота, возвращаясь к исходным, расчётным параметрам.

В случае практической реализации схемы очень важно правильно выбрать параметры сглаживающего фильтра с учётом частоты среза фильтра в петле ФАПЧ. И вот почему. Когда частотное рассогласование оказывается достаточно малым, напряжения на выходах обоих детекторов отличаются от синусоидального и несут в себе некоторую постоянную составляющую. И тогда может произойти одно из двух: либо система войдёт в режим захвата и единица на выходе индикатора захвата исчезнет, система окажется засинхронизированной и успокоится, либо раньше того названная постоянная составляющая, воздействуя на пороговый элемент с инвертером, трансформируется на выходе индикатора захвата в ноль, сигнализирующий что захват уже произошёл, хотя на самом деле этого не случились, и система так и останется в режиме биений. В итоге схема оказывается неработоспособной. Необходим некоторый компромисс между параметрами ФНЧ петли ФАПЧ и сглаживающего фильтра индикатора захвата. Детальный анализ этой проблемы и пути её решения изложены в работе [4]. Возможны и другие варианты построения схемы индикатора захвата. Например, в работе [5] описана схема для случая использования ЧФД в петле ФАПЧ.

4.3. Управление коэффициентом усиления петли

Расширить полосу захвата петли ФАПЧ можно путём управления коэффициентом усиления петли [1], стр.204. Это делается с помощью сигнала, получаемого с выхода АУУ схемы, представленной на рисунке 4.2. Его можно использовать для изменения коэффициента усиления либо ФД, либо УПТ, управляя таким образом коэффициентом усиления петли в целом. При отсутствии синхронизма, то есть в режиме биений, напряжение на этом выходе крайне мало и не влияет на усиление названных блоков, которое в этом случае максимально, и благодаря чему полоса захвата расширяется. После вхождения системы в синхронизм напряжение на выходе АУУ существенно возрастает и автоматически снижает названные коэффициенты усиления, возвращая систему к узкополосному режиму.

Не исключается также возможность изменения усиления импульсом с выхода индикатора захвата. Можно и комбинировать данный способ с другими, описанными выше.

4.4. Фазовый детектор совместно с частотным

Частотный детектор (ЧД) может использоваться совместно с фазовым, обеспечивая более широкий диапазон перестройки частоты ГУН по сравнению с применением одного лишь ФД. Такая схема показана на рисунке 4.3.

Рис.4.3. Схема с фазовым и частотным детекторами