Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Ракитина А. Ю.

Донецкий национальный технический университет, Украина

Разработка технических средств лабораторной работы для изучения систем ФАПЧ в курсе теории электросвязи

На сегодняшний день системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) находят широкое применение в различных областях науки и техники: их применяют для формирования частотно- и фазомодулированных (ЧМ и ФМ) сигналов со стабильной несущей частотой; системы ФАПЧ входят в состав синтезаторов частоты (с помощью таких устройств создают множество колебаний разных частот из колебания единого эталонного генератора); также их используют для фазовой синхронизации устройств и др.

Таким образом, применение ФАПЧ в системах связи достаточно многогранно. Исходя из этого, системы ФАПЧ требуют больше времени в учебном плане специальности телекоммуникационные системы и сети (ТКС). Особенно это касается лабораторных занятий. К тому же, большинство лабораторных работ реализуются на основе компьютерных моделей, которые, в основном, являются идеальными, не учитывают какие-то внешние факторы.

Следовательно, целью данной работы является повышение эффективности подготовки специалистов в области телекоммуникаций за счет создания лабораторного макета системы ФАПЧ для изучения характеристик и свойств этих систем.

Задачи работы: обоснование и выбор структурной и принципиальной схем макета системы ФАПЧ для проведения лабораторных исследований.

В учебных целях для проведения лабораторных исследований есть смысл использовать простейшую систему ФАПЧ (см. рис. 1): она не является громоздкой и при этом достаточно наглядно отображает основные режимы работы системы ФАПЧ.

Рисунок 1 – Структурная схема простейшей системы ФАПЧ

Фазовый детектор (ФД) сравнивает частоты двух сигналов – входного сигнала системы и выходного сигнала генератора, управляемого напряжением (ГУН) – и генерирует сигнал, который является мерой их фазовой несогласованности. При неравных частотах сигналов, поступающих на входы ФД, выходной сигнал ФД после фильтрации влияет на ГУН таким образом, что выходная частота ГУН fгун приближается ко входной частоте fвх.

Выход ГУН формирует сигнал с частотой, которая приближается к частоте входного сигнала системы ФАПЧ.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) предназначен для подавления шумовых и быстроизменяющихся компонентов сигнала, который поступает с выхода ФД.

За основу схемы (см. рис. 1) макета системы ФАПЧ взята интегральная микросхема (ИМС) 4046. Данный выбор объясняется тем, что функциональные узлы этой микросхемы реализуют все модули простейшей системы ФАПЧ и позволяют достаточно просто построить на ее основе законченную систему в соответствии с рис. 1.

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы ФАПЧ

Для реализации макета необходимо определиться с параметрами элементов обвязки системы ФАПЧ.

Зададимся значением ёмкости фильтра С_f=0,33мкФ (конденсатор такой ёмкости приемлем по нагрузочной способности для микросхемы и имеет малые габариты) для расчёта (согласно формуле [2]) сопротивления фильтра Rf:

(1)

Исходя из существующих номиналов, выбираем Rf=4,7кОм.

Согласно [3] на значения R₁, R₂, C₁ существуют следующие ограничения:

- C₁>40пФ;

- 3кОм<R₁<300кОм;

- 3кОм<R₂<300кОм;

- R₁||R₂>2,7кОм.

Зададимся значениями R1=10кОм й R2=18кОм. Тогда, согласно Fig.29 [3], определяем, что C1=0,4нФ. Выбираем C1=0,66нФ (два параллельных конденсатора по 0,33нФ).

Согласно [3] ФД, который используется в схеме макета системы ФАПЧ, обозначается «РС I» – это «XOR». Принцип работы этого ФД представлен на следующем рисунке:

Рисунок 3 – Принцип работи фазового детектора РС I

При использовании в качестве ФД РС I элементы частотозадающие элементы ГУН должны быть настроены под центральную рабочую частоту.

Работу ГУН можно оценить, используя понятие коэффициента чувствительности ГУН. Данный коэффициент показывает, насколько быстро изменяется выходная частота ГУН при изменении напряжения управления ГУН. Численное значение коэффициента чувствительности ГУН можно найти по формуле (согласно [2]):

(2)

где К0 – коэффициент чувствительности ГУН;

Uупрmax, Uупрmin – максимальное и минимальное значения напряжения управления ГУН;

fmax, fmin – максимальное и минимальное значение выходной частоты ГУН.

Приведем зависимость fгунвых(Uупр), полученную экспериментальным путём.

Таблица 1 – Зависимость fгунвых(Uупр)

Uупр, В	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,6	2,8	3	3,2	3,4	3,6
fгунвых, кГц	6,78	7,64	8,78	9,56	10,79	11,81	12,69	13,75	14,58	15,78	16,85	17,54	17,98	18,21

Рисунок 4 – Зависимость fгунвых(Uупр)

Коэффициент чувствительности ГУН согласно формуле (2) составляет: К₀=4,396 [кГц/В].

Как видно, полученная зависимость выходной частоты ГУН от напряжения управления ГУН fгунвых(Uупр) имеет практически линейный вид. Это говорит о том, что коэффициент чувствительности ГУН практически не изменяется в пределах рабочей области частот реализованной системы ФАПЧ.

Простота практической реализации макета системы ФАПЧ на ИМС 4046 и его наглядность, полученные результаты экспериментов могут быть достаточным основанием для использования подобного рода макетов в лабораторных исследованиях в курсе «Теория электросвязи».

Литература:

1. Методические указания к проведению лабораторной работы 3 Массачусетского технического института, 2002.

2. Методические указания к проведению лабораторной работы 4 Массачусетского технического института, 2002.

3. Документация к ИМС 4046 – Data Sheet 74HC/HCT4046A.