Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

– аналоговыми или цифроаналоговыми – в зависимости от используемой элементной базы;

– с фиксацией уровня или без – в зависимости от того, остаётся ли уровень напряжения на её выходе после вхождения ФАПЧ в синхронизм, или же исчезает;

– «умными» или «неумными» – в зависимости от направления поиска в момент старта: сразу ли поиск движет частоту к захвату или же из двух возможных направлений начальное оказывается случайным и неправильным, а правильное происходит на следующей ветви напряжения поиска с инверсной крутизной;

– с отдельным генератором поискового напряжения, или же используется элемент петли в определённом режиме.

Конкретная схема поиска может иметь некоторую комбинацию этих свойств. Ниже рассмотрим два варианта схем. Первая из них наиболее простая – аналоговая, без фиксации уровня, «неумная» и с УПТ с положительной обратной связью в качестве генератора поискового напряжения. Вторая более сложная – цифроаналоговая, с фиксацией уровня, «умная» и с цифроаналоговым преобразователем в качестве исполнительного элемента.

4.7.1. Аналоговая схема поиска

Одна из схем такого типа рассмотрена в источнике [10]. Она содержит мультивибратор со сглаживающим фильтром, генерирующий напряжение поиска, суммируемое, во время поиска, с напряжением с выхода фазового детектора. Колебания в мультивибраторе срываются, за счёт действия отрицательной обратной связи по петле ФАПЧ при вхождении системы в синхронизм на заданной частоте, найденной поиском. Известна также схема на основе триггера Шмидта [2].

Интересна сама идея, лежащая в основе подобных схем. Она заключается в том, что в систему ФАПЧ включается неустойчивое звено, режим генерации в котором возможен лишь при разрыве в основной петле ФАПЧ, что фактически и происходит, когда петля не находится в состоянии синхронизма. Подходя с таких общих позиций к подобного рода системам, нетрудно придти к выводу, что совершенно необязательно вводить в систему специальную схему, как, к примеру, это сделано в упомянутых источниках. Достаточно ввести положительную обратную связь в усилителе постоянного тока (УПТ) [11], как правило, присутствующим в системе. Такая схема показана на рисунке 4.8.

Рис.4.8. Аналоговая схема поиска

Если рассматривать область параметров, в которой полоса захвата з меньше полосы удержания. у, то при начальной расстройке н, лежащей в пределах з н у схема оказывается неустойчивой в большом, и синхронизм в таком случае невозможен. Через фильтр Ф осуществляется положительная обратная связь в УПТ. Глубина обратной связи на некоторой частоте Ω0 превышает критическую, и возникающие при этом в УПТ колебания перестраивают ГУН, вводя его частоту в полосу захвата. После захвата частоты автоколебания в УПТ гасятся значительно более глубокой отрицательной обратной связью по петле ФАПЧ.

Пример схемы УПТ с фильтром Ф, в качестве которого используется мост Вина, показан на рисунке 4.9.

Рис.4.9. УПТ с мостом Вина

Максимальное время T_max на поиск частоты захвата определяется генерируемой в схеме частотой F₀, а именно:

T_max=2/F₀

Частота F₀ должна быть достаточно низкой по сравнению с полосой пропускания ФАПЧ, чтобы введенная в УПТ положительная обратная связь не влияла существенно на устойчивость и фильтрующие свойства петли ФАПЧ.

Согласно с приведенной в начале данного раздела классификацией рассмотренную схему можно назвать «неумной», поскольку она не имеет знака частотного рассогласования и потому может стартовать в неправильном направлении, удаляя частоту ГУН от области захвата, и только на следующем полупериоде поиска направление окажется правильным. Понятно, что этот фактор даёт двукратное удлинение процесса поиска.

Другая особенность схемы заключается в том, что уровень поискового напряжения не фиксируется. После захвата частоты напряжение поиска пропадает, и функция удержания найденной частоты полностью переходит к фазовому детектору. Это значит, что в режиме удержания используется вся протяжённость характеристики фазового детектора. Крутизна же её при удалении от центра может быть значительно пониженной (например, при синусоидальной её форме), из-за чего необходимо вводить дополнительный запас устойчивости ФАПЧ, учитывающий изменения этой крутизны, что приводит к ухудшению динамики системы.

Более основательный анализ этой схемы выполнен в работе [11], а в работе [12] описана практическая ее реализация в одной из разработок синтезатора частоты.

4.7.2. Цифроаналоговая схема поиска

Схема поиска, совместно с петлёй ФАПЧ, показана на рисунке 4.10.

Рис.4.10. Цифроаналоговая схема поиска