1.2. Системы частотной автоподстройки

Системы автоматической подстройки частоты или системы частотной автоподстройки (ЧАП) применяются в радиоприёмных устройствах для поддержания постоянной промежуточной частоты сигнала, стабилизации частоты колебаний генераторов в устройствах формирования сигналов, применяются в качестве узкополосных перестраиваемых фильтров и демодуляторов частотно-модулированных сигналов.

Упрощённая функциональная схема системы ЧАП, используемой для стабилизации промежуточной частоты сигнала в супергетеродинном радиоприёмном устройстве приведена на рис. 1.5.

Преобразователь частоты

К последующим каскадам

Сигнал, поступающий на вход приёмника с выхода усилителя высокой частоты (УВЧ), подаётся на вход смесителя, входящего в состав преобразователя частоты. В результате преобразования частоты несущая частота сигнала меняется на промежуточную, равную разности частоты сигнала и частоты гетеродина. Полученный сигнал поступает на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и далее на частотный детектор. Параллельно с выхода УПЧ этот сигнал поступает на последующие каскады приёмника, предназначенные для выполнения его основной функции (передача сообщения, обнаружение сигнала и т.п.). При несовпадении промежуточной частоты сигнала с её номинальным значением, на которое настроены фильтры УПЧ, его уровень может уменьшиться до недопустимых значений и основная функция приёмника может быть выполнена с недостаточным качеством или вообще не выполнена. Для уменьшения расстройки частоты преобразованного сигнала относительно номинального значения промежуточной частоты используется частотный детектор (ЧД) системы ЧАП, фильтр нижних частот (ФНЧ) и перестраиваемый гетеродин (ПГ) приёмника, образующие замкнутую обратной связью следящую систему. В этой системе напряжение с выхода частотного детектора, уровень которого зависит от разности частоты сигнала с выхода смесителя и переходной частоты ЧД, соответствующей переходу его характеристики с отрицательных значений на положительные, поступает на фильтр нижних частот, а затем на управляющий элемент перестраиваемого гетеродина. В результате перестройки последнего промежуточная частота сигнала на выходе смесителя приближается к номинальному значению, если с его выхода наряду с полезным не поступает мешающий сигнал, вызванный, например, действием помехи.

Фильтрацию подобных помех призван осуществлять ФНЧ, стоящий в функциональной схеме после частотного детектора. Кроме того, фильтрацию широкополосных помех осуществляет и УПЧ, в состав которого входят полосовые фильтры высокого порядка. В целом результаты фильтрации помех определяются формой амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы сопровождения и ее полосой пропускания.

Рассмотрим математическое описание системы ЧАП. Входным управляющим воздействием удобно считать изменение частоты сигнала (расстройку) относительно номинального значения, хотя изменение частоты гетеродина, вызванное мешающими факторами, эквивалентно изменению частоты сигнала с противоположным знаком, что видно из выражения

, (1.15)

– промежуточная частота;– частота сигнала;– частота гетеродина.

Поскольку частотный детектор реагирует на отклонение промежуточной частоты сигнала от номинального значения, можно записать

_(1.16)

где – отклонение промежуточной частоты сигнала от номинального значения,,– соответственно отклонения частоты сигнала и гетеродина от номинальных значений.

. (1.17)

Таким образом, ошибка слежения системы ЧАП равна разности отклонений частоты сигнала и гетеродина от своих номинальных значений. Обозначая ошибку слежения , можно получить структурную схему ЧАП.

Для того чтобы приведенная схема имела законченный вид, необходимо обозначить модель управляемого объекта – перестраиваемого гетеродина. Наиболее распространенным способом перестройки управляемого гетеродина изменением управляющего напряжения является использование варикапа [1]. Зависимость расстройки частоты колебаний гетеродина относительно ее номинального значения от управляющего напряжения, снятая в статическом режиме, называется статической характеристикой управления и имеет типичный вид, представленный на рис. 1.7.

На приведенной характеристике можно выделить три характерных области значений управляющего напряжения:

1. Область линейности вблизи начала координат, для которой можно записать

где – крутизна характеристики управления.

2. Область насыщения – справа от максимального значения напряжения управления U_ми слева от его минимального значения. В этойобласти управление отсутствует, так как изменение управляющего напряжения расстройку частоты колебаний не меняет – она остается или максимальной, или минимальной.

3. Область промежуточных значений управляющего напряжения, где управление возможно, но неэффективно.

При проектировании системы автоподстройки можно рассчитывать диапазон изменений управляющего напряжения таким образом, чтобы оно практически не выходило за пределы линейности характеристики управления. Тогда зависимость расстройки частоты колебаний гетеродина относительно управляющего напряжения можно описывать приближенным равенством (1.17), если не учитывать инерционность гетеродина. Учесть инерционность генератора гармонических колебаний можно, сформировав его модель на основе дифференциального уравнения для частоты колебаний. Этот метод достаточно сложен. В первом приближении учесть инерционность генератора можно, представив его в виде инерционного звена с постоянной времени, зависящей от добротности нагруженной колебательной системы генератора:

(1.18)

где – постоянная времени простого инерционного звена;

Q - добротность нагруженной колебательной системы;

– средняя частота колебаний генератора.

В большинстве случаев инерционность управляемого генератора мала по сравнению с инерционностью фильтра системы, а также фильтра, входящего в состав частотного детектора.

Наряду с управляемым генератором с управлением частотой его колебаний изменением емкости варикапа, используется небольшой электрический двигатель постоянного напряжения, на валу которого находится ротор конденсатора переменной емкости или другое устройство, меняющее резонансную частоту колебательной системы генератора. Таким устройством может быть поршень, меняющий электрическую длину замкнутого отрезка коаксиальной линии или металлический стержень, входящий внутрь объемного резонатора СВЧ диапазона. В этом случае управляющее напряжение меняет скорость вращения электродвигателя, и частота колебаний зависит от угла поворота двигателя. Статическая характеристика управления скоростью вращения ротора двигателя подобно описанной выше характеристике управления частотой колебаний (рис. 1.7), только по оси ординат должна откладываться угловая скорость вращения вала двигателя. Поскольку приращение частоты колебаний пропорционально углу поворота ротора, то при управлении скоростью на линейном участке характеристики управления изменение частоты колебаний пропорционально интегралу от изменения управляющего напряжения. Следовательно, использование электродвигателя в объекте управления системой ЧАП, в котором управляющее напряжение меняет скорость изменения частоты колебания генератора, приводит к интегрирующему характеру управления. Таким образом, структурная схема объекта управления в системе ЧАП зависит от способа управления частотой колебаний перестраиваемого генератора.

В заключение рассмотрим структурную схему одного из простейших вариантов построения системы ЧАП, где предусмотрена перестройка частоты с использованием варикапа (рис. 1.8).

На приведённой схеме учтено возмущение, оказываемое нестабильностью частоты управляемого генератора, включением дополнительного источника помехи непосредственно на выходе модели генератора, представленного усилительным звеном с коэффициентом передачи – крутизной управления частотой колебаний.

Приведённая схема позволяет рассчитать параметры погрешности подстройки, вызванные совместным действием управляющего воздействия , помехойи нестабильностью частоты генераторапри заданных значениях, их характеристиках и параметров звеньев структурной схемы.