Описание работы схемы ФАПЧ

В основе работы системы ФАПЧ лежит фазовая синхронизация сигналов подстраиваемого и опорного генераторов. Однако, прежде чем возникнет фазовая синхронизация, цепь ФАПЧ должна быть синхронизирована по частоте. После того как произойдет захват частоты, на выходе фазового компаратора появится напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналом на выходе ГУН и внешним эталонным сигналом.

Чтобы система ФАПЧ работала правильно, необходимо обеспечить полный замкнутый тракт петли обратной связи, как показано на рис. 1. При отсутствии внешнего опорного сигнала или когда петля обратной связи разомкнута, ГУН работает на некоторой начальной частоте (частоте предварительной настройки) f₀, которую также называют собственной частотой. Собственная частота является настраиваемым параметром системы ФАПЧ. Перед тем, как система ФАПЧ войдет в режим слежения, должен произойти захват частоты. Когда на вход системы ФАПЧ поступает внешний входной сигнал с частотой f_i, компаратор сравнивает частоту внешнего сигнала с частотой выходного сигнала ГУН f. На выходе фазового компаратора формируется напряжение ошибки e, зависящее от рассогласования частот и от разности фаз двух сигналов на входе. Напряжение сигнала ошибки через фильтр нижних частот и усилитель воздействует на управляющий элемент ГУН. Еcли собственная частота ГУН f₀ достаточно близка к частоте внешнего опорного сигнала f_i, то под действием обратной связи в схеме ФАПЧ ГУН синхронизируется, то есть захватывает внешний входной сигнал. Поэтому выходная частота ГУН - это сумма или разность его собственной частоты и разницы между внешней опорной частотой и собственной частотой ГУН. Выходная частота ГУН f определяется выражением:

где f - выходная частота ГУН, Гц; f₀ — собственная частота ГУН, Гц; Гц; f_i — внешняя опорная частота, Гц.

Таким образом, система ФАПЧ имеет три рабочих состояния:

· автономное состояние при разомкнутой петле обратной связи;

· режим захвата;

· режим слежения.

В автономном состоянии внешний сигнал опорной частоты отсутствует или петля обратной связи разомкнута. При этом ГУН генерирует сигнал на своей собственной частоте. В состоянии захвата, система ФАПЧ должна иметь внешний опорный сигнал и замкнутую петлю обратной связи. Из состояния захвата система ФАПЧ со временем переходит в режим слежения частоты. В режиме слежения частота ГУН отслеживает частоту внешнего входного сигнала (т.е. равна ей). Когда система ФАПЧ находится в состоянии удержания, частота ГУН следует за изменениями частоты внешнего опорного сигнала.

Процесс захвата частоты

Когда внешний сигнал поступает на фазовый компаратор (Рис. 2,а), он объединяется с выходным сигналом ГУН . Сначала частоты этих двух сигналов не равны ( ). Поскольку фазовый компаратор — устройство нелинейное, то внешний сигнал и сигнал с выхода ГУН при сравнении создают комбинационные частоты (т.е. суммарные и разностные частоты). Поэтому на выходе фазового компаратора присутствуют в первую очередь: внешняя опорная частота f_i, частота с выхода ГУН f, их сумма (f+f_i,) и разность (f-f_i).

Фильтр нижних частот подавляет входные частоты f_i и f₀, а также их суммарную частоту f₀+f_i . Таким образом, на выходе ФНЧ присутствует един­ственный сигнал — относительно низкая разностная частота fd =fo- fu, которую называют частотой биений. Сигнал биений усиливается, а затем поступает на вход ГУН, изменяя выходную частоту ГУН пропорционально величине и полярности своего напряжения. Поскольку выходная частота ГУН изменяется, амплитуда и частота сигнала биений также пропорционально изменяется. На рис. 2б, показан сигнал биений f_d, полученный в результате его же воздействия на ГУН. После определенного числа циклов подстройки выходная частота ГУН становится равной внешней опорной частоте и, как говорят, происходит захват частоты системой ФАПЧ. Как только захват частоты произошел, частота биений на выходе ФНЧ становится равной 0 Гц (напряжение постоянного тока), а его величина и полярность будут пропорциональны разности фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Напряжение постоянного тока обеспечивает входное смещение для ГУН, поддерживая режим слежения частоты внешнего сигнала.

В сущности, пока захват частоты не произошел, фазовый компаратор работает как частотный компаратор, и только после захвата (нулевые биения) он становится фазовым компаратором. После захвата частоты величина сдвига фаз между внешним сигналом и выходной частотой ГУН конвертируется в фазовом компараторе в постоянное напряжение смещения u_d, фильтруется, усиливается, а затем поступает обратно в ГУН, где поддерживает процесс слежения частоты (режим синхронизма). Следовательно, для поддержания режима синхронизма необходимо поддерживать сдвиг фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Время, требуемое для достижения режима удержания, называют временем захвата или временем вхождения в синхронизм.

Рис. 2. Работа системы ФАПЧ: а) - структурная схема. б) – сигнал частоты биений.