11562

Фазовая автоподстройка частоты

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа № 5 Фазовая автоподстройка частоты Оглавление. Предисловие. Содержание учебного пособия соответствует программе курса Устройства приема и обработки сигналов предусмотренного государственным образовательным стандарт...

Русский

2013-04-08

212.5 KB

123 чел.

Лабораторная работа № 5

Фазовая автоподстройка частоты

Оглавление.


Предисловие.

Содержание учебного пособия соответствует программе курса “Устройства приема и обработки сигналов”, предусмотренного государственным образовательным стандартом. Структура пособия состоит из теоретической части, в которой даются основные методы построения узлов устройств приема и обработки аналоговых и цифровых сигналов, и практической части, соответствующей лабораторному практикуму.

В процессе изучения происходит знакомство с общими принципами работы основных узлов устройств приема и обработки сигналов, физическими процессами, протекающими в этих узлах устройств, особенностями системотехнических и схемотехнических решений, тенденциями развития теории и техники. При изложении материала учебного пособия широко используются сведения,  изучаемые в других разделах курса «Устройства приема и обработки сигналов». Материал этих разделов имеется в учебной литературе, список которой приведен в данном пособии.

Экспериментальные исследования   обеспечивают поддержку основных разделов курса.  В лабораторном практикуме предусмотрено выполнение исследований различных  радиотехнических узлов, входящих в состав радиоприемных комплексов локационных и навигационных систем, устройств оптимальной обработки цифровых сигналов, телекоммуникационных и телевизионных устройств, систем автоматического управления, устройств синхронизации и поиска сигналов.

Автоматизированные лабораторные установки позволяют проводить лабораторные работы как в автономном режиме, с использованием встроенных измерительных приборов и источников питания, так и в режиме управления от ЭВМ, в том числе и с управлением по компьютерной сети в режиме удаленного доступа. Выполнение лабораторной работы заканчивается составлением отчета с выводами по проведенным экспериментальным исследованиям. В ряде случаев предусматривается выполнение расчетного домашнего задания с предоставлением результатов расчета и ответов на контрольные вопросы, перечень которых приведен в конце каждого раздела учебного пособия. Лабораторный практикум является одним из основных в подготовке бакалавров, магистров и дипломированных специалистов широкого профиля.

При  подготовке учебного пособия учтен опыт работы коллектива кафедр “Радиотехника и телекоммуникации” и “Радиоэлектронные средства защиты информации” радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, а также преподавателей и специалистов Красноярского государственного технического университета.


Фазовая автоподстройка частоты.

1 Общие сведения.

Системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) называется система автоматического регулирования, обеспечивающая автоматическое регулирование частоты управляемого генератора в устройствах приема и обработки сигналов в соответствии с частотой входного сигнала и использующая в качестве измерительного элемента фазовый детектор. Системы фазовой автоподстройки частоты используются для подстройки частоты гетеродина в супергетеродинных устройствах приема и обработки сигналов, для выделения несущей частоты в демодуляторах систем передачи сообщений при реализации когерентного приема сигналов, для измерения частоты с помощью узкополосных следящих фильтров, при формировании высокостабильных колебаний в синтезаторах частот различных радиотехнических устройств и т.д.

Особенностью системы ФАПЧ (находящейся в состоянии синхронизации) является нулевая статическая ошибка по частоте, т.е. равенство частот колебаний подстраиваемого генератора (гетеродина) uГ(t)=UГ cosГ t и эталонного (входного) колебания uc(t)=Uc cosс t. Вместе с тем в электронных системах ФАПЧ существует статическая ошибка регулирования по фазе, т.е. статическое отличие фаз колебаний подстраиваемого генератора, управляемого напряжением (ГУН), и эталонного сигнала. Системы ФАПЧ обычно имеют сравнительно узкий диапазон начальных расстроек, в котором они осуществляют подстраивающее действие. При анализе работы системы ФАПЧ рассматривают режимы удержания и захвата.

Режимом удержания называется установившийся режим равенства частот ωс = ωГ, соответствующий эффективной работе системы ФАПЧ при медленных изменениях начальной расстройки. При этом имеются в виду изменения, скорость которых много меньше скорости переходных процессов в системе.

Режимом захвата называется процесс, возникающий при скачкообразном изменении начальной расстройки и заканчивающийся установлением режима удержания. Характерным различием этих режимов является то, что в режиме захвата существенную роль играют переходные процессы.

Основными характеристиками систем ФАПЧ являются следующие:

Полоса удержания ΔΩУ - область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно работает в режиме удержания.

Полоса захвата ΔΩЗ - область начальных расстроек ГУН, внутри которой система ФАПЧ эффективно работает в режиме захвата.

Время захвата tЗ, представляющее собой время втягивания системы ФАПЧ в режим синхронизации. Время захвата существенно зависит от значения начальной расстройки между частотой входного колебания и частотой колебания ГУН.

2 Принципы работы системы фазовой автоподстройки частоты.

Основными элементами структурной схемы системы фазовой автоподстройки частоты (рис. 1) являются: фазовый детектор – ФД, фильтр низкой частоты – ФНЧ, усилитель – УС, управляющий элемент – УЭ и перестраиваемый (синхронизируемый) генератор – ГУН.

На один вход фазового детектора ФД поступает сигнал uc(t)=Uc cosωc t, на второй – высокочастотное колебание uГ (t)=UГ cosГ t синхронизируемого перестраиваемого генератора. Между выходом ФД и входом управляющего элемента в петле обратной связи находятся фильтр низкой частоты ФНЧ и усилитель постоянного тока УС. Именно эти два элемента структурной схемы практически формируют частотную характеристику системы ФАПЧ и определяют ее петлевой коэффициент передачи. Если частота сигнала ωс и частота колебания на выходе ГУН ωГ отличаются друг от друга на постоянную величину ω, то мгновенное значение разности фаз φ между ними будет равно:

φ(t)=(ωГ  ωс)t=ωt.        (1)

Если разность частот двух колебаний не постоянна во времени, то мгновенное значение разности фаз можно определить по формуле:

,         (2)

откуда

ω(t)=(t) / dt.          (3)

Обычно в качестве фазового детектора ФД (рис. 5.1) используется аналоговый перемножитель, имеющий на выходе фильтр нижних частот, пропускающий лишь колебание разностной частоты. Тогда на выходе этого перемножителя будет присутствовать колебание вида:

uФД(t) = kФД UГ Uc cos[(ωГωс) t],    (4)

где kФД - коэффициент передачи фазового детектора (аналогового перемножителя).

Если положить коэффициент передачи ФНЧ в полосе пропускания kФНЧ=1, то напряжение на входе управляющего элемента УЭ будет пропорционально косинусу текущего сдвига фаз между колебаниями:

UУЭ(t) = kФД kUГ Uc cos φ(t),     (5)

где φ(t)=(ωГωс) t, k - коэффициент передачи петли обратной связи.

Управляющее напряжение используется в системе ФАПЧ для подстройки генератора, управляемого напряжением ГУН. Изменение частоты ωГ будет определяться изменением сдвига фаз φ(t).

Рассмотрим подробнее режимы работы системы ФАПЧ.

В зависимости от начальной разности частот ωн входного колебания ωс и частоты ГУН ωГ0 при разомкнутой петле обратной связи система ФАПЧ может находиться в различных режимах (рис. 2). На этом рисунке прямая линия ∆ω = ωн соответствует разомкнутой петле обратной связи системы ФАПЧ.

Когда начальная расстройка ωн больше полосы удержания ∆ΩУ, в системе ФАПЧ наблюдается режим биений, для которого характерно отсутствие равенства частот ГУН и входного сигнала, т.е. ωс  ωГ. В этом режиме разность фаз входного колебания и колебания ГУН непрерывно возрастает, а напряжение uфд (t) на выходе фазового детектора изменяется, представляя собой колебательное напряжение переменной частоты. Средняя частота биений меньше начальной расстройки ωн. Если начальная расстройка увеличивается, то средняя частота биений асимптотически стремится к ωн (рис. 2). Наличие ФНЧ на выходе фазового детектора ФД при прочих равных условиях приводит к уменьшению амплитуды биений по сравнению со случаем рассмотрения системы ФАПЧ без ФНЧ, т.е. к затруднению ввода системы в состояние синхронизации. Именно поэтому в системах ФАПЧ с ФНЧ полоса захвата всегда меньше полосы удержания (см. рис. 2).

При достижении величиной ωн значения ∆ΩЗ / 2 средняя частота биений стремится к нулю, т.е. через время tЗ частота ГУН и частота входного сигнала становятся одинаковыми, и система ФАПЧ переходит в режим захвата. На практике полосу захвата ΔΩЗ (рис. 2) определяют по моменту синхронизации частот ГУН и входного сигнала при изменении |Δωн| от больших значений к малым.

При наличии синхронизации и изменении расстройки |Δωн| от нулевого значения в сторону увеличения, очевидно, что биения колебаний будут отсутствовать вплоть до момента срыва синхронизации при |Δωн| Ωу / 2.

3. Лабораторная работа.

Система фазовой автоподстройки частоты широко используется в супергетеродинных УПОС для стабилизации частоты преобразованного сигнала при изменениях частоты входного сигнала или сигнала гетеродина из-за дестабилизирующих факторов или мешающих помех.

Лабораторная установка предназначена для автоматизированных экспериментальных исследований процесса фазовой автоподстройки частоты.

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование процесса фазовой автоподстройки частоты, а именно:

  •  определение зависимости полосы захвата и полосы удержания от значения коэффициента усиления и параметров фильтра низкой частоты (интегрирующего и пропорционально - интегрирующего) в петле обратной связи системы ФАПЧ;
  •  изучение влияния аддитивного входного шума на основные характеристики системы ФАПЧ.

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме программного управления от ЭВМ.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис.3. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы. На правом поле расположен цифробуквенный дисплей с отображением пунктов работы и результатов измерений исследуемых параметров системы ФАПЧ.

Рис. 3. Вид лицевой панели установки.

3.1 Структурная схема установки.

Лабораторная установка состоит из генератора входного сигнала, генератора шума и устройства ФАПЧ (рис. 3).

Генератор высокочастотного сигнала – ГВЧ («G») формирует синусоидальный высокочастотный сигнал uс(t)=Uc cosωc t, регулируемой по частоте в пределах 440-510 кГц. Генератор шума – ГШ («Gw») вырабатывает аддитивный нормальный шум с изменяемым в пределах 0-2 В среднеквадратическим значением напряжения Uш. Сигналы uc(t) и uш(t) суммируются в избирательном резонансном усилителе с полосой пропускания 35 кГц.

Система ФАПЧ состоит из фазового детектора – ФД («≈φ»); фильтра низкой частоты - ФНЧ/ПИФ, усилителя с коэффициентом усиления К1/К2 и перестраиваемого управляемого напряжением генератора – ГУН («G►||»).

Для проведения исследований в лабораторной установке предусмотрено изменение следующих параметров системы ФАПЧ:

  •  вида RC-фильтров:

 интегрирующего (ФНЧ) / пропорционально-интегрирующего (ПИФ);

  •  параметров фильтров:

значений интегрирующих конденсаторов в ФНЧ С1/С2,

значений RC-цепочек в ПИФ – R1C1/R2C1;

  •  коэффициента усиления петли обратной связи ОС – К1/К2.

Значения параметров:

C1=22 нФ, C2=2 нФ, R1=430 Ом, R2=51 Ом, отношение К1/К2 = 1,5.

На задней стенке установки имеется разъем источника питания и контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение uс, «Вых 2» – напряжение uГ, «Вых 3» – напряжение uупр.

3.2 Панель ручного управления.

Панель ручного управления состоит из трех полей:

Поле «ГВЧ» – генератор высокочастотного сигнала uc(t).

«вкл» – кнопка включения генератора.

«частота» – потенциометр регулировки частоты.

Поле «ГШ» – генератор шума.

«вкл» – кнопка включения генератора шума.

«амплитуда» – потенциометр регулировки величины уровня шума.

Поле «ФАПЧ»

«ФНЧ»

«Вкл» – кнопка включения ФНЧ.

«С1» и «С2» – кнопки подключения конденсаторов С1 и С2.

«ПИФ»

«Вкл» – кнопка включения ПИФ.

«C1R1» и «C1R2» – кнопки включения RC-цепочек с параметрами C1R1 и C1R2.

«Усиление»

«К1» и «К»» – кнопки переключения коэффициентов усиления К1 и К2 петли ОС.

3.3 Поле цифробуквенного дисплея.

На цифробуквенном дисплее отображаются измеряемые величины и номер пункта работы. Под дисплеем расположены следующие кнопки:

«<<» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к началу;

«>>» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к концу;

«Т» – кнопка сброса контроллера управления.

4. Программа и порядок выполнения работы.

Ознакомившись с описанием лабораторной установки, включить питание и саму установку нажатием кнопки «Вкл».

Все переключения производятся с помощью кнопок на передней панели установки, включенное состояние кнопки индицируется светодиодом. Измерения выполняются встроенными приборами под управлением микроконтроллера, а результаты измерений выводятся на цифробуквенный дисплей. Выбор измеряемых величин и подключение их к цифробуквенному дисплею производится кнопками выбора пункта лабораторной работы («», «»).

П.1. Измерение амплитудно-частотной характеристики входного фильтра.

Включить ГВЧ, отключить ГШ и ОС.

Изменяя частоту fc в пределах от 440-510 кГц, измерить напряжение сигнала U на выходе полосового сумматора «».

Результаты измерений занести в таблицу. Построить график зависимости U=F(fc). Определить значение центральной частоты входного фильтра – fc0 и его полосу пропускания – ΔF (по уровню 0,7).

П.2. Измерение собственной частоты колебания ГУН - fГ0.

Измерение производится при разомкнутой петле обратной связи (усилители К1 и К2 отключены от Uупр).

П.3. Измерение полосы захвата и полосы удержания ФАПЧ без фильтрации.

Включить ГВЧ и ФНЧ, отключить конденсаторы С1, С2.

Установить коэффициент усиления К1.

Плавно увеличивая частоту fc в диапазоне от минимального значения до максимального зафиксировать нижнюю частоту захвата fзн и верхнюю частоту удержания fув.

Плавно изменяя fc в обратном порядке от максимального значения до минимального зафиксировать верхнюю частоту захвата fзв и нижнюю частоту удержания fун.

Определить полосы захвата (ΔFз = fзв - fзн) и удержания (ΔFУ == fзв - fзн) для данных параметров схемы ФАПЧ.

Повторить измерения для коэффициента усиления К2.

П.4. Исследование зависимости полосы захвата и полосы удержания ФАПЧ от типа и параметров низкочастотных фильтров в петле обратной связи.

Включить генератор высокой частоты ГВЧ и фильтр низкой частоты ФНЧ.

Подключить усилитель К1 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С1.

Плавно увеличивая частоту fc в диапазоне от минимального значения до максимального получить зависимость (fc – fГ) = F(fc – fГ0) (см. рис. 5.2).

Получить эту же зависимость при плавном уменьшении частоты fc в обратном порядке от максимального значения до минимального.

Построить график (fcfГ) = F(fcfГ0) и по нему определить полосы захвата и удержания для данного режима работы схемы ФАПЧ.

Подключить усилитель К1 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С2.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

Подключить усилитель К2 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С1.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

Подключить усилитель К2 и интегрирующий конденсатор в ФНЧ – С2.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

Включить генератор высокой частоты ГВЧ и пропорционально-интегрирующий фильтр ПИФ.

Подключить усилитель К1 и цепочку С1R1 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

Подключить усилитель К1 и цепочку С1R2 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

Подключить усилитель К2 и цепочку С1R1 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

Подключить усилитель К2 и цепочку С1R2 в ПИФ.

Определить полосы захвата и удержания.

Измерения проводить в соответствии с методикой пункта П3.

П5. Исследование влияние уровня шума на полосы захвата и удержания в системе ФАПЧ.

Измерения уровня сигнала и уровня шума производятся разными вольтметрами, работающими параллельно (для измерения шума используется квадратичный вольтметр). В зависимости от вида измеряемого сигнала кнопкой «Вкл» включается соответствующий генератор (ГВЧ или ГШ). При совместном включении генераторов измеряется суммарный сигнал UΣ.

Включить ГВЧ.

Измерить уровень сигнала uс на резонансной частоте сумматора.

Включить ФНЧ, интегрирующий конденсатор С1 и подключить усилитель К1.

Провести измерения полосы захвата ΔFЗ и удержания ΔFУ при различных уровнях шума в диапазоне Uш = 0-2 В.

Измерения уровня шума Uш проводить при отключенном сигнале.

Измерения полос захвата и удержания проводить при одновременно включенных генераторах сигнала и шума по методике пункта П3.

Результаты измерений занести в таблицу.

Включить ПИФ, интегрирующую цепочку R1С1 и подключить усилитель К1.

Провести измерения полосы захвата ΔFЗ и удержания ΔFУ при различных уровнях шума в диапазоне Uш = 0-2 В в соответствии с методикой пункта П5.

5. Содержание отчета.

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

  •  Наименование и цель работы.
  •  Структурную схему и краткое описание принципов работы системы ФАПЧ.
  •  График зависимости U=F(fc).
  •  Таблицы с результатами измерений и экспериментальные зависимости (fc––fГ)=F(fcfГ0) для пункта П4.
  •  Результаты измерений и расчетов полосы захвата ΔFЗ и полосы удержания ΔFУ для пунктов П.3,П.4.
  •  Таблицы измерений и расчетов полосы захвата ΔFЗ и полосы удержания ΔfУ при различных уровнях шума для П.5.
  •  Анализ полученных результатов.
  •  Объяснить зависимость изменения ΔFУ от коэффициента усиления К в петле обратной связи ФАПЧ.
  •  Объяснить зависимость ΔFЗ от величины емкости конденсатора интегрирующего фильтра «ФНЧ» при постоянном значении коэффициента усиления К.
  •  Провести сравнение экспериментальных значений отношения ΔFЗFУ для интегрирующего и пропорционально-интегрирующего фильтра при K = const.
  •  Проанализировать влияние уровня аддитивного шума на полосы захвата и удержания для интегрирующего и пропорционально-интегрирующего фильтров.

6. Контрольные вопросы.

  •  Какие функции выполняют системы ФАПЧ и каковы их основные параметры?
  •  Каковы принципы работы и схемы систем ФАПЧ? Какими способами можно изменять частоту управляемого генератора?
  •  Как определяется полоса захвата и полоса удерживания системы ФАПЧ?
  •  Какие типы фильтров используются в цепи регулирования? Из каких соображений выбираются параметры фильтров?
  •  Что понимают под временем захвата системы ФАПЧ и от чего оно зависит?
  •  Какое влияние оказывает аддитивный входной шум на работу системы ФАПЧ?
  •  Какова методика измерения полосы захвата и полосы удержания системы ФАПЧ в отсутствие внешних шумов и при их наличии?


Рис. 1 Структурная схема системы ФАПЧ.

ГУН

=

φ

Г

uc(t)

ФД

УС

Г (t)

ФНЧ

УЭ

Рис. 2. Зависимость разности частот входного сигнала ωс и сигнала ГУН ωГ от величины ωн.

ΔЗ

ΔУ

ωн

Δω=ωc ωГ

Δω=ωн


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21904. Атрибутивное описание. Векторная модель. Топологическая модель 121 KB
  Атрибутивное описание Одних координатных данных недостаточно для описания картографической или сложной графической информации. Атрибуты соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов также хранятся в таблицах. Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов базы данных с использованием стандартных форм запросов и разного рода фильтров а также выражений математической логики. Кроме того с помощью атрибутов можно типизировать данные и упорядочивать описание для широкого набора некоординатных...
21905. Растровая модель. Оверлейные структуры. Трехмерные модели 158 KB
  Трехмерные модели. При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам но разный по характеристикам цвет плотность участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение усредняющее характеристику участка поверхности объекта. В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства пиксель ячейка.
21906. Введение в дистанционное зондирование. Восстановление (коррекция) видеоинформации. Предварительная обработка изображений. Классификация. Преобразование изображений 145.5 KB
  К настоящему времени накоплен огромный фонд более 100 миллионов аэрокосмических снимков полностью покрывающих всю поверхность Земли а для значительной части районов с многократным перекрытием. Геометрическая коррекция или трансформирование снимков предназначено для устранения искажений вызванных кривизной и вращением Земли а также углом наклона орбиты спутника к плоскости экватора. Часто для представления и совместной обработки материалов разных видов типов съемок а также разновременных снимков одной и той же территории используется...
21907. Отраслевые геоинформационные проекты 139.5 KB
  Создание карт распределения геологической продукции и информации: а по административным районам; б по геологическим структурам. Создание двумерных и трехмерных моделей подсчета запасов полезных ископаемых и карт в изолиниях. Персональные компьютеры в руках геолога представляют собой надежный инструмент который дает большие возможности как по созданию геологических отчетов геологических карт научных разработок так и по решению различных модельных задач по теории рудообразования геотектонике стратиграфии металлогении и т.
21908. Некоторые вопросы оценки качества цифровых карт 110 KB
  Для быстрой оценки точности цифровой карты необходимо проверить значения реальных координат объектов карты. Проверить значения координат в углах рамки карты. в зависимости от вида и масштаба карты. Если югозападный угол карты имеет неточную привязку то весьма вероятно что все объекты карты будут иметь координаты со сдвигом.
21909. История развития ГИС 77.5 KB
  Одна из наиболее интересных черт раннего развития ГИС особенно в шестидесятые годы заключается в том что первые инициативные проекты и исследования сами были ГЕОГРАФИЧЕСКИ РАСПРЕДЕЛЕНЫ по многим точкам причем эти работы осуществлялись независимо часто без упоминания и даже с игнорированием себе подобных. Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и особенно тематического картографирования успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс а также революционным достижениями...
21910. Классификация ГИС технологий 96.5 KB
  Множество задач решаемых современными ГИС научных прикладных образовательных наконец бытовых не поддается исчислению складываясь из необозримого числа достойных внимания и описания объектов реальности помноженных на разнообразие мотивов и целей человеческой деятельности. При всем многообразии типов ГИС возможна их классификация по нескольким основаниям: пространственному охвату объекту и предметной области информационного моделирования проблемной ориентации функциональным возможностям уровню управления и некоторым другим...
21911. Ввод данных в ГИС. Базовые структуры данных в ГИС. Представление пространственных данных. Структура геоинформационных систем 73 KB
  Базовые структуры данных в ГИС. Представление пространственных данных. Ввод данных в ГИС.
21912. Определение положения точек на поверхности Земли. Координатные данные. Взаимосвязи между координатными моделями. Определение положения точек на поверхности Земли 71 KB
  Определение положения точек на поверхности Земли Координатные данные составляющие один из основных классов геоинформационных данных используют для указания местоположения на земной поверхности Поверхность Земли имеет сложную форму. Эта информация образует класс координатных данных ГИС являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Будучи частью классом общей модели данных в ГИС координатные данные определяют класс координатных моделей Основные типы координатных моделей Класс координатных моделей можно разбить на типы. При этом...