Практическое занятие 3. Расчет генератора управляемого напряжением (ГУН) схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (2 часа)

Расчет генератора управляемого напряжением (ГУН) схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (2 часа)

Задающий генератор должен обеспечить генерацию и поддержание частот от 22 до 880 кГц. Для реализации этих параметров целесообразно применение микросхемы CD4046AB, сочетающей в себе генератор, управляемый напряжением и схему ФАПЧ. Микромощная цифровая микросхема CD4046AB содержит следующие внутренние узлы (рис. 3.1): генератор, управляемый напряжением (ГУН), два фазовых компаратора (ФК1 – исключающее ИЛИ или ФК2 – триггерная схема), формирователь-усилитель УФ входного сигнала, выходной истоковый повторитель ИП. Для удобства применения на кристалле микросхемы изготовлен источник опорного напряжения – стабилитрон с напряжением 5,2 В.

Рис. 3.1. Структурная схема ФАП CD4046AB

Узел ГУН – основа фазовой автоматической подстройки (ФАП). Он обеспечивает линейность преобразования напряжение-частота лучше 1 %. Для установки свободной частоты ГУН и диапазона девиации этой частоты требуется три внешних элемента: конденсатор С1 и резисторы R1, R2. Элементы R1 и С1 и фиксируют свободную частоту генерации, с помощью R2 этой частоте. Частота выходных импульсов ГУН (на выходе 4) называется свободной, если на входе управления частотой ГУН (на выводе 9) напряжение отсутствует.

В петле ФАП на вход ГУН подается напряжение ошибки. В устройстве оно снимается с внешнего фильтра низкой частоты (R3, C2), где сглаживается импульсный сигнал, генерируемый одним из фазовых компараторов ФК1 или ФК2. Выбрать выход компаратора позволяет переключатель S1. Управляющий сигнал ГУН имеется и на выводе 10 – исток повторителя. Для правильной работы повторителя требуется подключать внешний резистор нагрузки R_и > 10 кОм. Если этот выход не нужен, вывод 10 оставляется свободным.

Петля ФАП в схеме состоит из трех узлов: ГУН, ФК1 (или ФК2) и фильтра низкой частоты (ФНЧ). Фильтр НЧ образуют резистор R3 и конденсатор C2. Как известно, особо опасна для работы системы ФАП вторая гармоника частоты ГУН. Поскольку входное сопротивление ГУН велико (до 10¹² Ом), номинальная емкость конденсатора C2 в результате может быть небольшой.

Входной цифровой сигнал U_c вводится в петлю ФАП от входа 14 через усилитель УФ и поступает на сигнальные входы обоих компараторов ФК1 и ФК2. На вторые входы компараторов подается выходной меандр свободной частоты от выхода ГУН. Отфильтрованное (сглаженное) напряжение с конденсатора С2 поступает на вход ГУН (вывод 9) в такой фазе, чтобы частота ГУН стала приближаться к частоте сигнала U_c. Некоторое время, таким образом, будет идти переходной процесс автоподстройки частоты. В конце этого процесса установиться режим автоподстройки фазы, поскольку частоты будут равны. Затем петля ФАП с большой точностью уравняет фазы сигнала и выходного напряжения ГУН. Полезными выходными сигналами петли ФАП могут быть как напряжение с выхода ФНЧ (выход повторителя, вывод 10), так и выходная частота f_ГУН (вывод 4).

Если требуется уменьшить мощность потребления в режиме ожидания, на вход разрешения Е следует подать напряжение высокого уровня. Номиналы внешних элементов следует выбирать в следующих пределах: R1, R2 ³ 10 кОм, R_и £ 1 МОм, С1 > 100 пФ (при U_и.п = 5 В) и С1 > 50 пФ (при U_и.п > 10 В).

Центральную частоту ГУН f₀ (свободная частота ФАП, работающей с компаратором ФК1) можно выбрать по рис. 3.2, а. Выбранную частоту следует сместить на величину Df_СДВ, если вывод 12 микросхемы и нулевой провод соединить через резистор R2. Значение частоты сдвига Df_СДВ можно определить по рис. 3.2, б.

На рис. 1.6, в показана зависимость максимальной f_max и минимальной f_min частот от отношения номиналов R1/R2. Здесь f_max определяется, когда U_вхГУН = U_и.п, а f_min, если U_вхГУН = 0.

Рис. 3.2. Частотные характеристики ФАП: а – зависимость центральной частоты f₀ от R1
и C1; б – то же для частоты сдвига Df_СДВ;
в – зависимость пределов частот от отношения R2/R1

Фазовые компараторы ФК1 и ФК2 имеют общие входы (вывод 3). На внешний вывод 3 следует подавать сигнал только логики КМОП (уровень логического нуля ниже 0,3 U_и.п, логической единицы – выше 0,7 U_и.п). Сигналы с меньшей амплитудой можно подавать через емкость и дополнительный усилительный каскад. Схема ФК2 представляет собой четырехтриггерное ЗУ с логикой управления. ФК2 запускается положительными перепадами входных импульсов, поэтому скважность приходящих прямоугольных импульсов сигнала U_С не имеет значения. На рис. 1.7 показаны диаграммы сигналов в петле ФАП, работающей с ФК2. Если частота входного сигнала больше (или меньше), чем частота ГУН, выходной каскад ФК2 находиться в разомкнутом Z-состоянии. Когда частоты равны, но сигнал отстает по фазе от напряжения ГУН, выходное напряжение ФК2 будет находиться на низком уровне. Если отстает по фазе напряжение ГУН от напряжения сигнала U_C, на выходе ФК2 появиться напряжение высокого уровня.

Рис. 1.7. Диаграммы сигналов в петле ФАП

Высокий (или низкий) уровень на выходе ФК2 будет удерживаться до тех пор, пока существует разность фаз. На выходе ФНЧ напряжение U_С2 скачком изменяться не может, поэтому уравнивание фазы U_выхГУН с фазой сигнала U_C потребует некоторого времени. После уравнивания фаз оба p- n-канальные выходные транзисторы ФК2 размыкаются, выход переходит в Z-состояние, следовательно, на конденсаторе С2 будет храниться потенциал, соответствующий равенству фаз. Соответственно управляющему напряжению U_С2 будет зафиксирована частота ГУН. Таким образом, при работе ФК2 разность фаз между U_С и U_ГУН в режиме слежения петли равна нулю. В эти моменты ФК2 потребляет минимум тока, поскольку его выходной каскад разомкнут. Полосы слежения и захвата ФАП с ФК2 одинаковы и не определяются свойствами ФНЧ.

Произведем синтез схемы задающего генератора на основе микросхемы К564ГГ1. Подключением элементов R1-R3, C1 задаем центральную частоту и диапазон ее девиации. Для настройки генератора в режиме наладки целесообразна установка подстроечного резистора R2. Резистор R4 и конденсаторы C3, С4 образуют ФНЧ для схемы ФАП. Для реализации синтеза частот 22 кГц и 880 кГц выход ГУН присоединяется ко входам ФК2 (вывод 3) через внешний цифровой делитель частоты в N раз. Для этого используем переключение ключом S1 выходов 3 К561ИЕ5, делящих основную частоту генерации на 2. Перестройку генератора в диапазоне от 22 до 880 кГц осуществить технически сложно и точность настройки будет грубой. Поэтому, чтобы обеспечить перестройку, диапазон будет разбит на 2 поддиапазона и должен иметь одинаковый коэффициент:

к = . (3.1)

Выбираем 2 поддиапазона: 22-140 кГц и 140-880 кГц. Для них:

к₁ =140/22=6,3; к₂ =880/140=6,2

Находим центральную частоту ГУН f₀:

. (3.2)

Для первого поддиапазона: f₀₁ =(140-22)/2+22=81 кГц;

для второго поддиапазона: f₀₂ =(880-140)/2+140=510 кГц.

Используя рис. 1.6 выбираем следующие номиналы частотозадающих элементов: R1= 100 кОм, R2= 6000 кОм, R3= 110 кОм, С1= 50 нФ.

Элементы ФНЧ рассчитываются исходя из необходимости получить постоянную времени фильтра, равную периоду колебаний. Таким образом, получаем два значения постоянной времени:

, (3.3)

с,

с,

где t ₂₁, t ₂₂ – постоянные времени при частоте 22 и 880 кГц соответственно.

Приняв значение R3 равным 11 кОм, получим номиналы С3 и С4:

нФ.

Таким образом, произведен расчет задающего генератора на частотах 22-880 кГц и обеспечена его работоспособность в качестве элемента ФАПЧ.

Дата добавления: 2015-04-30