Импульсно-фазовые детекторы

Импульсно-фазовые детекторы предназначены для преобразования разности времен (фаз ) поступления импульсов на его входы с выходов ДПКД и ЭГ в управляющее напряжение = (или ток ). К основным характеристикам ИФД относятся:

а) статическая фазовая характеристика, описываемая функцией вида и представляющая зависимость постоянной составляющей выходного сигнала ИФД от ;

б) статический коэффициент передачи ИФД ;

в) уровень амплитуд гармоник в напряжении на выходе ИФД , где – круговая частота переменной составляющей сигнала на выходе ИФД в режиме синхронизма.

Рассмотрим ИФД, наиболее часто применяемые в синтезаторах.

Импульсно-фазовый детектор на RS-триггере является простейшим ИФД с пилообразнойстатической характеристикой. Осциллограммы напряжений, поясняющие работу этого ИФД, представлены на рис. 3.1, а.

 

Импульсы , поступающие на вход триггера, переводят его выход в состояние «лог. 1», а сигналы с выхода ДПКД, поступающие на вход , – в состояние «лог. 0». Таким образом, на выходе ИФД формируется сигнал ,

 

длительность которого пропорциональна временному сдвигу между моментами поступления импульсов и . В режиме синхронизма, когда частоты сигналов на входах и совпадают и равны , изменение разности времен прихода импульсов от 0 до или разности фаз от 0 до приводит к изменению постоянной составляющей выходного сигнала ИФД от 0 до (рис. 3.1, б).

В режиме синхронизма представляет собой периодическую последовательность импульсов с периодом и длительностью и может быть разложена в ряд Фурье. При этом:

а) = ;

б) ;

в) . Наибольшей интенсивностью из переменных составляющих выходного сигнала ИФД обладает первая гармоника, а ее амплитуда достигает максимума равного при , .

ИФД, выполненный по схеме «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», отличается от предыдущего ИФД тем, что сигналы, поступающие на его входы имеют форму меандра. Выходной сигнал рассматриваемого ИФД отличен от нуля в промежутки времени, когда на его входах присутствует только один из сигналов или . Осциллограммы, поясняющие принцип его работы приведены на рис. 3.2, а.

 

В режиме синхронизма статическая фазовая характеристика имеет треугольную форму (рис. 3.2, б), , . Длительность выходных импульсов не зависит от , а частота следования выходных импульсов равна 2 . При этом:

а) = 2 при 0 < < ,

= 2 при < < 2 ;

б) при 0 < < ,

при < < 2 ;

в) на выходе ИФД присутствуют только четные гармоники частоты . Наи-большей интенсивностью из переменных составляющих выходного сигнала ИФД обладает вторая гармоника, а ее амплитуда достигает максимума равного при () или ().

Если форма и отличается от меандра, статическая фазовая характеристика примет вид трапеции.

Импульсно-фазовый детектор типа «выборка-запоминание» ( ИФДВЗ). Упрощенная эквивалентная схема рассматриваемого детектора представлена на рис. 3.3, а на рис. 3.4 приведены осциллограммы напряжений в характерных точках схемы, поясняющие ее работу.

 

 

Основными элементами ИФДВЗ являются накопительный конденсатор , запоминающий конденсатор , управляемые ключи и и генератор тока. Короткие импульсы, поступающие с выхода ЭГ и управляющие ключом , своим передним фронтом переводят этот ключ в положение 2 и обнуляют напряжение на конденсаторе . Задний фронт этих импульсов переводит ключ в положение 1, подключая конденсатор к генератору тока. Таким образом, при << напряжение на накопительном конденсаторе будет изменяться по пилообразному закону с периодом, равным .

 

C приходом импульса с выхода ДПКД ключ замыкается его передним фронтом и размыкается задним. При этом напряжение с конденсатора , соответствующее временному сдвигу между моментами поступления импульсов с выходов ЭГ и ДПКД, подается на запоминающий конденсатор .

Для качественной работы ИФДВЗ емкость накопительного конденсатора должна быть значительно больше емкости запоминающего, сопротивление ключа в замкнутом состоянии () должно быть достаточно низким, а в разомкнутом – по возможности высоким. В этом случае в режиме синхронизма напряжение на запоминающем конденсаторе будет практически постоянным. С этой же целью между запоминающим конденсатором и последующими элементами кольца ФАП включается буферный каскад, имеющий высокое входное сопротивление, что препятствует разряду конденсатора в промежутках между импульсами выборки. Обычно в качестве БК используется эмиттерный или истоковый повторитель, имеющий коэффициент передачи близкий к единице.

Учитывая, что максимальное напряжение на накопительном конденсаторе , для рассмотренного типа ИФД справедливы следующие соотношения:

а) = ;

б) ;

в) переменная составляющая выходного напряжения имеет период , наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, а ее значение определяется неидеальностью элементов схемы.

Импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД) с тремя состояниями. Принцип работы ИЧФД рассмотрим на примере одного из его вариантов, структурная схема которого представлена на рис. 3.5. В состав структурной схемы входят два -триггера и , логическая схема «ИЛИ-НЕ», два электронных ключа и и два генератора напряжения и (или тока и ).

При рассмотрении принципа работы представленной схемы прежде всего учтем следующие свойства элементов, входящих в ее состав.

При подаче на вход -триггера импульса установки «лог. 1» его положительным фронтом триггер переводится в состояние «лог. 1». В этом состоянии он будет находиться до тех пор, пока на его вход не поступит импульс «лог. 1», переводящий триггер в то состояние, в котором находится его вход , т. е. в состояние «лог. 0». В этом состоянии триггер будет находиться до тех пор, пока на его вход не поступит импульс «лог. 1».

Схема «ИЛИ-НЕ» формирует на своем выходе импульс «лог. 1» при поступлении на оба ее входа импульсов «лог. 0». Ключи и замыкаются при воздействии на их управляющий вход сигнала «лог. 1» и размыкаются в противном случае.

Первоначально допустим, что оба триггера находятся в состоянии «лог. 1», частоты следования импульсов, поступающих с выходов ЭГ и ДПКД равны (режим синхронизма), опережает , что соответствует рис. 3.6, в, ключи и разомкнуты. Тогда в момент времени импульс «лог. 1», поступающий с выхода ЭГ на вход триггера , переведет этот триггер в состояние «лог. 0». На входе ключа появится импульс «лог. 1», ключ замкнется и генератор напряжения подключится ко входу ФНЧ. На вход 1 схемы «ИЛИ-НЕ» поступит сигнал «лог. 0», однако сигнал на ее выходе не изменится, поскольку на входе 2 присутствует напряжение «лог. 1».

При поступлении в момент времени t ₂ на вход триггера сигнала «лог. 1» с выхода ДПКД, перейдет в состояние «лог. 0», на обоих входах схемы «ИЛИ-НЕ» появится сигнал «лог. 0», а на ее выходе – «лог. 1». Этот сигнал, поступая на входы триггеров и , переведет их в состояние «лог. 1», и оба ключа и окажутся разомкнутыми. Это состояние останется неизменным на интервале времени t ₂… t ₃. Состояния триггеров, схемы «ИЛИ-НЕ» и ключей на участках t ₁… t ₂, t ₃… t ₄ и t ₅… t ₆ одинаковы. Также одинаковыми будут и состояния указанных элементов на интервалах t ₂… t ₃ и t ₄… t ₅. Таким образом на выходе ИЧФД будет существовать периодическая последовательность положительных импульсов напряжения, длительность которых равна времени отставания от .

 

На рис. 3.6, а показан случай, когда в режиме синхронизма сигнал опережает . Процессы, происходящие в ИЧФД в этом случае, будут аналогичны описанным ранее с той лишь разницей, что теперь периодически к выходу ИЧФД будет подключаться не генератор , а генератор напряжения . При этом на выходе ИЧФД будут формироваться импульсы отрицательной полярности, длительность которых будет равна времени отставания от .

Рисунок 3.6, б соответствует случаю, когда в режиме синхронизма импульсы и в моменты времени t ₁ и t ₂ одновременно поступают на входы триггеров и , переводя их в состояние «лог. 0», что приводит к одновременному замыканию ключей и . Однако при этом на оба входа схемы «ИЛИ-НЕ» поступают импульсы «лог. 0», на ее выходе появляется сигнал «лог. 1», триггеры и переходят в состояние «лог. 1», а ключи размыкаются. Таким образом, ключи и замыкаются только на очень короткое время. Следует отметить, что в реальных ССЧ с ФАП, использующих ИЧФД, условие точной синфазности и никогда не выполняется.

Если частоты сигналов, поступающих на входы ИЧФД, не совпадают, например частота прихода импульсов с выхода ЭГ выше, чем с выхода ДПКД, то на выходе ИЧФД формируются импульсы положитель-ной полярности с возрастающей длительностью. Сказанное иллюстрируется осциллограммами рис. 3.6, г. Полярность формируемых импульсов изменится на противоположную, если частота ниже частоты . Таким образом, импульсные сигналы с выходов триггеров и подключают к выходу детектора тот генератор, напряжение которого может скомпенсировать расстройку между частотами и . Сказанное означает, что в этом случае ИЧФД ведет себя как частотный детектор.

Рассмотренные примеры объясняют вид статической фазовой характеристики ИЧФД, представленной на рис. 3.7. В режиме синхронизма , или :

а) = ;

б) ;

в) . Наибольшей интенсивностью из переменных составляющих выходного сигнала ИЧФД обладает первая гармоника, а ее амплитуда достигает максимума равного при ().

Отметим, что аналогичным образом работают и ИЧФД, в которых к выходу подключаются не генераторы напряжения, а генераторы тока.

Сравнительный анализ рассмотренных типов импульсно-фазовых детекторов показывает, что наилучшими характеристиками с точки зрения уровня переменных составляющих на выходе схемы обладает ИФД типа «выборка-запоминание». У остальных ИФД этот показатель одинаков. У ИФД, выполненного по схеме «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», в переменной составляющей выходного сигнала содержатся только четные гармоники частоты сравнения, что позволяет увеличить граничную частоту ФНЧ и улучшить связанные с нею характеристики ССЧ. Использование ИЧФД позволяет существенно сократить длительность перехода от режима биений к режиму синхронизма.

Фильтры нижних частот

Одним из основных элементов, определяющих динамические свойства ССЧ с ФАП является фильтр нижних частот, включенный между ИФД и ГУН. Для конкретизации требований, предъявляемых к ФНЧ, будем считать, что частотная характеристика коэффициента передачи = полностью определяется параметрами ФНЧ. Сказанное означает, что является частотно-независимым коэффициентом передачи УПТ, а – коэффициентом передачи ФНЧ, причем . Отметим, что сделанные допущения не ограничивают общности последующих материалов.

Вид частотной характеристики ФНЧ и параметры фильтра выбираются исходя из соображений:

1) подавления нежелательных спектральных составляющих, возникающих в выходном сигнале ИФД;

2) подавления фазовых шумов ГУН, ЭГ и ДПКД;

3) уменьшения длительности переходного процесса при смене рабочих частот;

4) обеспечения устойчивости процесса автоподстройки частоты;

5) уменьшения остаточной разности фаз между сигналами ЭГ и ГУН в режиме синхронизма;

6) обеспечения требуемых качественных характеристик формируемого сигнала при осуществлении угловой модуляции или манипуляции в ССЧ с ФАП.

Перечисленные требования к ФНЧ как к элементу коррекции частотной характеристики кольца ФАП во многом являются взаимно противоречивыми. Ранее (см. 2.2 и 2.3) уже отмечались противоречия при одновременной реализации требований 1, 3, 6 и были рассмотрены методы их разрешения.

Далее остановимся на требовании 2. Из соотношения (2.12) следует, что для эффективного подавления фазовых шумов ГУН и граничную частоту ФНЧ следует увеличивать, что может войти в противоречие с требованием 1. Кроме того, увеличение и приводит к росту доли фазовых шумов ЭГ и ДПКД в выходном сигнале ССЧ. Из (2.13) следует, что для уменьшения коэффициента передачи шумов ЭГ и ДПКД на выход ССЧ и целесообразно уменьшать.

Компромиссное решение указанного противоречия основывается на том, что требования к подавлению шумов ГУН в области частот, где размещается спектр передаваемой информации, т. е. вблизи , более жесткие, чем при больших отстройках от нее. Кроме того, с увеличением отстройки собственные шумы ГУН уменьшаются. Поэтому при малых отстройках в первую очередь следует подавить шумы ГУН. А при больших – шумы, обусловленные ЭГ и ДПКД.

Для сравнения эффективности использования в кольце ФАП фильтра того или иного вида воспользуемся приведенным в 2.3 выражением для коэффициента передачи разомкнутого кольца ФАП, учитывая, что не только ФНЧ, но и остальные элементы кольца обладают инерционностью. В первом приближении для ее учета достаточно в приведенное ранее соотношение для ввести множитель , где – суммарная постоянная времени элементов кольца. С учетом сказанного

. (3.1)

В большинстве практических случаев наличие экспоненциального множителя следует учитывать только при рассмотрении устойчивости процесса автоподстройки.

 

В качестве ФНЧ могут быть использованы инерционное звено (ИЗ) (простейший RC -фильтр) – рис. 3.8, а, пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИФ) – рис. 3.8, б и в, идеальный интегратор с ПИФ и др.

 

 

 

 

 

 

	Рис. 3.9

 

Коэффициенты передачи рассматриваемых фильтров могут быть представлены в следующем виде:

· для простейшего RC -фильтра = , где .

· для ПИФ = , где , для схемы на рис. 3.8, б и , для схемы на рис. 3.8, в.

Для иллюстрации влияния ФНЧ на эффективность подавления шумов ГУН, ЭГ и ДПКД рассмотрим логарифмические амплитудные характеристики (ЛАХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) коэффициента передачи разомкнутого кольца ФАП для трех случаев. В первом случае кольцо ФАП не содержит ФНЧ, во втором – использован RC -фильтр и в третьем – ПИФ. При построении ЛАХ и ФЧХ использовано соотношение (3.1) и соответствующие характеристики коэффициентов передачи фильтров. При этом наличие экспоненциального множителя не учитывалось.

На рис. 3.9, а и б представлены ЛАХ и ФЧХ кольца ФАП при отсутствии ФНЧ. На рис. 3.9 под критической частотой понимается частота, при которой = 1, т. е. частота, разделяющая области эффективного подавления шумов ГУН ( < ) и шумов ЭГ и ДПКД ( > ). Нетрудно заметить, что даже при отсутствии ФНЧ кольцо ФАП обладает отмеченными ранее фильтрующими свойствами по отношению к шумам за счет наличия множителя . Однако в связи с малым наклоном ЛАХ (6 дБ на октаву) в довольно широкой области вблизи и то и другое подавление оказываются незначительными. Изменение позволяет уменьшить или повысить , не изменяя наклона ЛАХ и эффективности подавления фазовых шумов.

ФЧХ представляет собой горизонтальную прямую с ординатой , что исключает возможность самовозбуждения кольца ФАП, поскольку обычно , входящее в соотношение (3.1), существенно меньше .

ЛАХ и ФЧХ, представленные на рис. 3.9, в и г, соответствуют случаю использования RC -фильтра. Здесь, выбирая соответствующие значения и , в окрестности можно реализовать наклон ЛАХ 12 дБ/окт. Таким образом, переход из области эффективного подавления шумов ГУН в область, где подавляются шумы ЭГ и ДПКД происходит более резко, а ширина области малоэффективного подавления сокращается.

Вид ФЧХ в данном случае не исключает возможности самовозбуждения, учитывая, что ≠ 0, что требует обеспечения запаса устойчивости по фазе (ЗУФ) и по амплитуде (ЗУА). Напомним, что запасом устойчивости по фазе называется разность между и на той частоте, на которой модуль , убывая с ростом частоты, достигает единицы (0 дБ по ЛАХ), т. е. на частоте . Запасом устойчивости по амплитуде называется значение модуля на той частоте, на которой модуль достигает . При этом модуль должен быть меньше единицы.

Отметим, что чем дальше отстоит от (при этом графики ЛАХ и ФЧХ смещаются влево относительно ), тем меньшим оказывается ЗУФ. Учитывая наличие экспоненциального множителя в (3.1) ЗУФ нельзя делать слишком малым. Обычно он составляет не менее , что требует выполнения условия ≤ 1.7 . Поэтому область эффективного подавления шумов ГУН, лежащая влево от , оказывается достаточно узкой.

Лучшими характеристиками обладает кольцо ФАП с ПИФ. Соответствующие зависимости ЛАХ и ФЧХ приведены на рис. 3.9, д и е. В данном случае отрезок ЛАХ с наклоном 12 дБ/окт, включающий , лежит в интервале от до . Наиболее опасной с точки зрения самовозбуждения является частота, на которой отличие модуля от становится минимальным. Задаваясь, как и ранее, ЗУФ в , получим = 13.9, т. е. почти четыре октавы. При этом удается реализовать эффективное подавление как шумов ГУН, так и ЭГ и ДПКД.

ФНЧ в виде идеального интегратора и ПИФ обычно используется совместно с ИЧФД с генераторами тока. Такое построение кольца ФАП позволяет в режиме синхронизма обеспечить практически нулевое значение разности фаз сигналов на входах ИЧФД за счет появления компенсирующего напряжения на выходе интегратора [3].

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: