Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Понятно, что при отсутствии синхронизма работает частотный детектор, уменьшая частотное рассогласование в системе. При захвате частоты фазовым детектором, когда разность сравниваемых на нём частот сводится к нулю, напряжение на выходе ЧД фиксируется на постоянном неизменном уровне (например, на нулевом при двуполярной схеме), и далее работает ФД.

4.5. Частотный детектор типа квадрикоррелятора

Однако обычный ЧД не всегда может обеспечить высокую точность приведения частоты в полосу захвата. Например, задача ввести ГУН со 100-мегагерцовой перестройкой в полосу захвата 100 кГц требует слишком высокой точности, недостижимой в обычном ЧД. В подобных случаях используют ЧД типа квадрикоррелятора [2], принцип действия которого иллюстрируется рисунком 4.4. На рисунке индексы «r’ и «c’ относятся соответственно к опорному и сигнальному источникам.

Рис.4.4. К пояснению принципа действия квадрикоррелятора

Две сравниваемые частоты смешиваются, и разностный сигнал с выхода смесителя дифференцируется, обеспечивая таким образом пропорциональность между разностной частотой и амплитудой сигнала. Дифференцированный сигнал синхронно детектируется таким образом, что одновременно получается амплитуда и полярность, представляющие собой частотную ошибку. Операцию дифференцирования может выполнять фильтр верхних частот. Частотную границу прозрачности фильтра необходимо выбирать несколько большей желаемой полосы захвата, чтобы предотвратить смешение напряжения с выхода частотного детектора с биениями на выходе фазового детектора, когда частотное рассогласование становится достаточно малым.

Схема квадрикоррелятора совместно с фазовым детектором в структуре автоподстройки ГУН представлена на рисунке 4.5 [6].

Рис.4.5. Схема квадрикоррелятора совместно с фазовым детектором

Схема построена с использованием смесителей (перемножителей), фильтров нижних частот, сумматора и дифференцирующей цепи. Схема включает три петли. Петли 1 и 2 выполняют роль частотного детектора, а петля 3 – фазового детектора. Генератор ГУН в этой схеме имеет два квадратурных выхода: Sinω_ct и Cosω_ct, а на входе схемы действует опорный сигнал Sinω_rt.

Схема работает следующим образом. После перемножения выходных квадратурных сигналов ГУН с опорным сигналом Sinω_rt и последующей фильтрации в фильтрах нижних частот ФНЧ-1 и ФНЧ-2 образуются квадратурные разностные сигналы Sin (ω_r-ω_c) t и Cos (ω_r-ω_c) t. Последний из полученных сигналов дифференцируется и смешивается с первым из них, в результате чего получается сигнал (ω_r-ω_c) Cos² (ω_r-ω_c) t. В нём заключена информация как о знаке, так и о величине частотного рассогласования, и он управляет частотой ГУН по цепи отрицательно обратной связи, приближая частоту ω_c к частоте ω_r

По мере уменьшения частотного рассогласования петля 3 переходит в режим биений, генерируя ассиметричный сигнал на выходе фильтра ФНЧ-1, помогающий процессу захвата частоты системой ФАПЧ. При ω_r≈ω_c постоянная составляющая управляющего сигнала, генерируемая совместно петлями 1 и 2, приближается к нулю, и функция управления частотой ГУН переходит к петле 3, окончательно устанавливающей синхронизм в системе, при котором ω_c=ω_r.

Использование функции частотного детектирования в квадрикорреляторе обеспечивает независимость полосы захвата от полосы пропускания системы ФАПЧ, что позволяет выбирать параметры последней исходя исключительно из требований её фильтрующих свойств и быстродействия. Следует отметить, что чтобы исключить дополнительный вклад в шумы и дискретные компоненты выходного сигнала предпочтительно отключать частотный детектор (петли 1 и 2) как только произойдёт захват сигнала.

4.5.1. Практическая схема с квадрикоррелятором

В работе [7} рассмотрена схема с квадрикоррелятором, приближённая к практическому использованию. Она показана на рисунке 4.6.

Рис.4.6. Схема, приближённая к практическому использованию

Для удобства чтения схемы в ней выделены части частотного и фазового детекторов, а также активного пропорционально-интегрирующего фильтра (ПИФ). Показан также ключ для отключения частотного детектора после захвата частоты.

Талбот в своей книге [8] приводит полную принципиальную схему с квадрикоррелятором, выполненную на практике с применением серийных микросхем. Со слов автора она работает на частотах 55—90 МГц.

4.5.2. Цифровая схема квадрикоррелятора

Возможен также цифровой вариант схемы квадрикоррелятора [2]. Он, как и аналоговый вариант, служит для измерения частотного рассогласования в системе ФАПЧ, чтобы, имея эту информацию, привести частоту ГУН в область её захвата опорной частотой. Схема не входит в петлю ФАПЧ и действует самостоятельно.