1 . С и с т е м а ф а з о в о й а в т о п о д с т р о й к и ч а с т о т ы и

е е о с н о в н ы е х а р а к т е р и с т и к и

Практически все (и прежде всего цифровые и многоканальные) системы

передачи и обработки информации требуют для своей работы синхронизации,

которая обеспечивается специальными системами.

В различных областях радиоэлектроники, автоматики и техники связи

широкое применение нашли системы авторегулирования скорости периодических

или квазипериодических процессов доя получения определенных (требуемых)

фазовых соотношений между ними. Такие системы называют системами фазовой

синхронизации или системами фазовой авто- подстройки частоты (ФАПЧ). Для

них характерно наличие датчика фазового рассогласования (фазового детектора) и

регулятора мгновенной частоты (скорости) подстраиваемого генератора.

Схема ФАПЧ (английский эквивалент Phase-Locked Loop—PLL)

представляет собой систему с контуром обратной связи, который содержит ГУН,

фазовый детектор (ФД), фильтр нижних частот (ФНЧ) и усилитель (рис.1).

Рисунок1- Структурная схема ФАПЧ

ФД (или детектор ошибки) сравнивает фазы сигнала опорного генератора

V REF и выходного сигнала ГУН V 0 и вырабатывает напряжение V 1, величина

которого зависит от разности фаз этих сигналов. Если эта разность равна φ

радиан, то выходное напряжение ФД будет определяться выражением:

V 1=K ф(φ−π2),

где Kф— коэффициент передачи «фаза→напряжение ФД» размерностью В/рад.

Выходное напряжение ФД пропускается через ФНЧ для подавления

высокочастотных составляющих и их гармоник, которые присутствуют в опорном

сигнале и на выходе ГУН. Напряжение с выхода ФНЧ усиливается и используется

как управляющее для ГУН (V C). Величина его составляет:

V C=K ф A (φ−π2

),

где А — коэффициент усиления усилителя.

Такое управляющее напряжение обеспечивает изменение частоты ГУН по

отношению к частоте его собственных колебаний f 0 до уровня

f =f 0+KV V C,

где KV — коэффициент передачи «напряжение → частота ГУН»

размерностью Гц/В.

Когда осуществлен захват опорного сигнала f ОП схемой ФАПЧ, справедливо

равенство:

f =f REF=f 0+K V V C,

Поскольку согласно (3):

V C=f REF−f 0

KV

=K ф A (φ−π2),

получим:

φ=π2+

f REF−f 0

KV Kф A.

Таким образом, если схема ФАПЧ захватила опорный сигнал, то сдвиг по

фазе между этим сигналом и выходным сигналом ГУН устанавливается равным φ,

и две частоты f REF и f 0 будут точно синхронизированы.

Максимальное напряжение на выходе ФД имеет место при φ = π и φ = 0 и

определяется выражением:

V 1 (MAX )=± K фπ2

.

Соответствующее максимально возможное управляющее напряжение

равно:

V C ( MAX )=± KV Kфπ2

.

В этом случае диапазон частот, который можно обеспечить на выходе ГУН,

составляет:

¿.

Следовательно, максимальный частотный диапазон сигналов опорного

генератора, при которых схема ФАПЧ будет находиться в режиме захвата,

составляет:

f REF=f 0 ± KV Kфπ2

A=f ± ∆ f L.

Величина 2∆ f L, называется полосой захвата ФАПЧ и определяется по

формуле:

2∆ f L=KV K ф A π.

Следует отметить, что полоса захвата симметрична по отношению к частоте

собственных колебаний ГУНf 0. На рис. 2 приведена зависимость V C от частоты

опорного сигнала, характеризующая полосу захвата. Вне этой полосы частота

ГУН не может быть синхронизирована с частотой опорного сигнала.

Рисунок 2- Полоса захвата ФАПЧ

Если в качестве ФД используется линейный элемент типа

четырехквадрантного перемножителя, а остальные элементы контура являются

линейными аналоговыми, ФАПЧ называется линейной (linear PLL — LPLL).

Если используется цифровой ФД, а остальные элементы контура ФАПЧ

являются линейными аналоговыми, то ФАПЧ называется цифровой (digital PLL —

DPLL).

Если ФАПЧ строится исключительно из цифровых блоков, без

использования каких-либо пассивных или линейных аналоговых элементов, то

ФАПЧ называется полностью цифровой (alldigital PLL—ADPLL).

Как и любая цифровая система, полностью цифровая ФАПЧ может быть

реализована в виде программы. В этом случае ФАПЧ называется программно

реализованной (soft PLL—SPLL).

К основным параметрам ФАПЧ относят фазовый шум, уровень

проникновения гармоник опорного сигнала и время захвата.

Фазовый шум порождается малыми флук- туациями случайного характера

фазы сигнала опорного генератора. Наличие его на входе ФД приводит к

появлению ошибки на его выходе и, как следствие, к нестабильности частоты

выходного сигнала ГУН.

Время захвата ФАПЧ это время от момента подачи сигналов на входы ФД

до момента возникновения установившегося режима (момента захвата).

2. С п о с о б ы п о с т р о е н и я с и н т е з а т о р о в н а о с н о в е с и с т е м ы

Ф А П Ч .

С х е м а Ф А П Ч и с п о л ь з у е т с я в к а ч е с т в е о с н о в н о г о э л е м е н т а

п р и п о с т р о е н и и с и н т е з а т о р о в ч а с т о т ы , к о т о р ы е в ы р а б а т ы в а ю т

с е т к у в ы с о к о с т а б и л ь н ы х ч а с т о т , к р а т н ы х ч а с т о т е о п о р н о г о

г е н е р а т о р а . Д л я о б е с п е ч е н и я в ы с о к о й с т а б и л ь н о с т и

и с п о л ь з у ю т о п о р н ы й г е н е р а т о р с к в а р ц е в ы м р е з о н а т о р о м .

С т р у к т у р а т а к о г о с и н т е з а т о р а п р и в е д е н а н а р и с . 3 .