Исследование синтезатора частоты с системой ФАПЧ

(лабораторная работа 4)

Цель работы – ознакомление с принципом работы синтезатора частоты и особенностями работы системы ФАПЧ в его составе.

Описание лабораторной установки

Исследуемый синтезатор частоты состоит из

- опорного кварцевого генератора (f₀=1000 кГц);

- делителя частоты с коэффициентом деления 1:1000;

- импульсного фазового детектора (ИФД) в 2-х вариантах исполнения (ИФД1 выполнен на устройстве выборки-хранения с предварительным формированием пилообразного напряжения; ИФД2 выполнен на триггере);

- ФНЧ (апериодическое звено с постоянной времени 1 или 20 мсек);

- управляемого генератора, работающего в диапазоне частот 1900…2600 кГц (управление частотой осуществляется как от фазового детектора, так (в режиме частотной модуляции) и от внешнего генератора);

- делителя частоты с коэффициентом деления 1:2;

- делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 1:К_ДПКД (К_ДПКД=2000…2510 с шагом 1);

- фазового манипулятора, используемого в режиме фазовой модуляции.

Синтезатор позволяет сформировать дискретную сетку частот в диапазоне 1000…1255 кГц с шагом сетки 1 кГц.

Помимо исследуемого синтезатора частоты в состав лабораторной установки включены:

- мультиметр, предназначенный для измерения частоты формируемых колебаний, коэффициента усиления ИФД (К_ФД), постоянной составляющей напряжения на выходе ИФД, амплитуды модулирующего напряжения и девиации частоты ("перелистывание" страниц индикатора мультиметра осуществляется кнопками << и >>, запуск встроенного частотомера при различных временах усреднения (накопления) частотомера (1, 10, 100, 1000 и 10 000 мс) осуществляется кнопкой Т).

- генератор модулирующего напряжения,

- органы управления режимом работы синтезатора частоты.

Нажатие любой кнопки в нижней части лицевой панели стенда приводит к изменению режима работы исследуемой схемы, которое сопровождается зажиганием соответствующего светодиода. Повторное нажатие на ту же кнопку приведет к изменению состояния на последующее или противоположное.

Принцип работы синтезатора частоты состоит в следующем. В режиме слежения системы ФАПЧ сигналы на входах фазового детектора имеют одинаковую частоту, поэтому, при заданной частоте f₀/1000 входного сигнала, частота управляемого генератора должна быть больше ее в К_ДПКД раз. При этом фазовый детектор формирует постоянное управляющее напряжение (для ИФД1), пропорциональное разности фаз сигналов на его входах. Изменяя К_ДПКД, можно изменять частоту управляемого генератора. В случае срыва слежения системы ФАПЧ на выходе фазового детектора возникают биения.

Основным преимуществом синтезатора частоты с системой ФАПЧ в сравнении с пассивными синтезаторами, использующими метод многократного преобразования частоты, является низкий уровень побочных спектральных составляющих в выходном сигнале. Недостатками синтезатора частоты с системой ФАПЧ являются большее время перестройки частоты и возможность срыва слежения, при котором частота выходного сигнала существенно отличается от заданной.

Ширина полосы удержания системы ФАПЧ определяется максимально возможным изменением частоты управляемого генератора под воздействием управляющего напряжения. Полоса захвата не превышает полосу удержания и зависит от характеристик дополнительного ФНЧ.

Наличие ИФД превращает систему ФАПЧ в импульсную и анализ ее непрерывного эквивалента возможен лишь в том случае, когда длительность переходного процесса существенно превышает период входных импульсов Δt=1000/f₀. В частности, при включении ИФД1 система ФАПЧ проявляет свойства дискретной системы, которые можно наблюдать при исследовании переходных процессов.

Задание по работе

1). Включить лабораторную установку и осциллограф. Листая страницы мультиметра (кнопки << и >>), ознакомиться с их содержанием.

2). В соответствии с приведенным выше описанием синтезатора частоты изобразить его функциональную схему.

3). Убедиться в работоспособности синтезатора частоты. Для этого включить систему ФАПЧ, ИФД1, установить частоту выходного сигнала 1050 кГц и К_ФД=4,5.

Полосу пропускания ФНЧ выбрать равной 1 кГц, род работы – немодулированные колебания. Изменяя частоту выходного сигнала через 10 кГц до 1250 кГц наблюдать показание мультиметра F_r, а на экране осциллографа – напряжение на выходе ИФД1. Изменить частоту еще на 10 кГц (индикатор УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ покажет 1000 кГц) и зарисовать осциллограмму биений на выходе ИФД1 при срыве слежения, объяснить ее форму.

4). Снять настроечную характеристику управляемого генератора. Для этого убедиться в установке переключателя РОД РАБОТЫ в положении НЕМОД., систему ФАПЧ выключить. Изменяя управляющее напряжение на варикапе ручкой К_ФД от минимального до максимального значений, снять зависимость частоты выходного сигнала F_r от напряжения (значения F_r и u_фд фиксировать по показаниям мультиметра; убедиться, что показания осциллографа соответствуют значениям u_фд). Построить график и определить на нем линейный участок. В центре линейного участка выбрать рабочую частоту.

5). Исследовать переходные процессы в системе ФАПЧ. Для этого включить систему ФАПЧ с ИФД1 на выбранной рабочей частоте, установить режим 2-уровневой частотной телеграфии (переключатель РОД РАБОТЫ в положение ЧТ1). Полосу пропускания ФНЧ выбрать равной 1 кГц. Записать значение выбранной рабочей частоты. Увеличить усиление осциллографа и наблюдать на его экране переходные процессы на выходе ИФД, зарисовать их при нескольких значениях К_ФД (не допуская срыва слежения).

Установить ручку К_ФД в положение, соответствующее коэффициенту усиления дискретной системы К=К_vΔt=1 (режим максимального быстродействия, разделяющий монотонные и колебательные переходные процессы). Положив К_v=1/Δt=1000, зафиксировать значение К_ФД. Уменьшить значение К_ФД так, чтобы соблюдалось условие теоремы Котельникова (t_н>>Δt). Измерить время нарастания переходного процесса t_н (одной ступеньке соответствует 1 мсек) и зафиксировать новое значение К_ФД. Уменьшить прежнее значение К_v во столько раз, во сколько уменьшилось К_ФД. Построить логарифмические характеристики эквивалентной непрерывной системы ФАПЧ для уменьшенного значения К_v. Определить частоту среза и по ней определить время нарастания переходного процесса. Сопоставить результат с экспериментальным значением.

6). Оценить влияние К_ДПКД на переходные процессы системы ФАПЧ. Для этого следует, не меняя положения ручки К_ФД, увеличивать частоту выходного сигнала через 10 кГц, наблюдая за формой переходного процесса. Характерные осциллограммы зарисовать.

7). Оценить влияние ФНЧ на переходные процессы системы ФАПЧ. Для этого установить полосу пропускания ФНЧ равной 50 Гц и, изменяя К_ФД, наблюдать за формой переходного процесса. Характерные осциллограммы зарисовать.

Содержание отчета

1. Функциональная схема синтезатора частоты (см. п.2 Задания).

2. Условия и результаты эксперимента по п.3 Задания, в т.ч.:

- значения F_r и u_ФД;

- осциллограммы биений на выходе ИФД1.

3. Настроечная характеристика управляемого генератора с указанием линейного участка и рабочей частоты.

4. Условия и результаты эксперимента по п.5 Задания, в т.ч.:

- значение F_r;

- осциллограммы переходных процессов для нескольких значений К_ФД;

- осциллограммы переходных процессов в режиме максимального быстродействия системы;

- осциллограммы переходного процесса, соответствующего условию t_н>>Δt;

- значение К_v;

- асимптотические логарифмические характеристики системы ФАПЧ с указанием частоты среза;

- сопоставление экспериментального и расчетного значений времени нарастания переходного процесса.

5. Характерные переходные процессы, иллюстрирующие влияние К_ДПКД (см. п.6 Задания).

6. Характерные переходные процессы, иллюстрирующие влияние ФНЧ (см. п.7 Задания).

5.4. Контрольные вопросы

1. В чем заключаются особенности системы ФАПЧ, работающей в составе синтезатора частоты?

2. Как влияет делитель с переменным коэффициентом деления на показатели качества системы ФАПЧ?

3. Как меняется форма биений на выходе ИФД1 при захвате частоты?

4. Какими средствами обеспечивается увеличение полосы удержания системы ФАПЧ?

5. Записать разностное уравнение дискретной системы 1-го порядка и указать область допустимых значений для коэффициента усиления.

6. Объяснить влияние ФНЧ на качество переходных процессов системы ФАПЧ.