Особенности синхронизации с обратной связью
Замкнутые схемы тактовой синхронизации
Подсистемы синхронизации называют замкнутыми, если выделение тактовой частоты из последовательности импульсов значащих моментов осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) тактового генератора, настроенного на . Такая система ФАПЧ содержит замкнутый контур авторегулирования частоты и фазы генерируемой тактовой последовательности импульсов.
Существует два способа регулирования частоты и фазы генерируемой тактовой последовательности импульсов в контуре ФАПЧ:
- ФАПЧ с непосредственным воздействием на задающий генератор;
- ФАПЧ без непосредственного воздействия на задающий генератор.
В первом способе тактовый генератор, выполняемый в форме генератора управляемого напряжением (ГУН), имеет хронирующие элементы, изменяющие свои параметры под воздействием некоторого внешнего управляющего напряжения (например, резонансный колебательный контур со включенными в его состав варикапами). Функциональная схема такой подсистемы ТС изображена на рисунке 13, где ИФД - импульсно-фазовый детектор, определяющий фазовое рассогласование между последовательностью расширенных импульсов значащих моментов и регулярной тактовой последовательностью от задающего генератора (ЗГ), имеющей частоту . Постоянное напряжение U=, пропорциональное фазовому рассогласованию, выделенное с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ), управляет частотой ЗГ так, чтобы имеющееся фазовое рассогласование устранить. Фазовращатель ФВ согласует фазу тактовой последовательности с положением регенерируемых элементов принимаемой двоичной последовательности импульсов.
В качестве импульсно-фазового детектора используют R-S-триггер, или сумматор по модулю два. Функциональные схемы таких детекторов их характеристики и временные диаграммы действующих напряжений, изображены на рисунке 14. Здесь же изображены характеристики зависимости частоты импульсов , генерируемых ГУН, от величины управляющего напряжения , где U= - постоянная составляющая напряжения на выходе ИФД, выделяемая ФНЧ.
Рисунок 14
Временные диаграммы показывают, что с увеличением временного запаздывания tз возрастает U=, достигая максимального значения, равного E при tз= tэ у R-S-триггера, и при tз= 0,5 tэ у сумматора по модулю два.
Характеристики фазовых детекторов имеют периодический характер. Рабочий участок этих характеристик выделен жирной линией. Рабочую точку на этом участке выбирает в его середине. При этом . На это значение настраивают ЗГ, то есть при . Если в качестве ИФД использовать R-S-триггер, то в режиме синхронизма импульсы от ЗГ расположены так, что их передние фронты расположены в середине принимаемых двоичных символов и поэтому могут использоваться непосредственно для их стробирования.
Если же используется сумматор по модулю два в качестве ИФД то в режиме синхронизма импульсы от ЗГ имеют сдвиг относительно положения двоичных элементов принимаемой последовательности на 0,25tэ. Следовательно, для их использования в качестве стробирующих потребуется дополнительный их сдвиг на 0,25tэ, что может быть осуществлено например, с помощью ждущего мультивибратора, генерирующего импульсы с длительностью 0,25tэ.
Рассмотренные схемы построения ФАПЧ тактового генератора (ЗГ) используют режим непрерывного управления частотой задающего генератора. Возможны варианты построения схем ФАПЧ с дискретным управлением частотой задающего (тактового) генератора. При этом ИФД имеет релейную форму характеристики. Функциональная схема импульсно-фазового детектора на основе R-S-триггера с релейной характеристикой регулирования и соответствующие временные диаграммы изображены на рисунке 15, где рабочий участок характеристики ИФД выделен жирной линией.
Рисунок 15
Релейный характер этой характеристики обеспечивает работу задающего генератора на двух частотах:
В режиме авторегулирования , где - малое отклонение задержки от нулевого его значения.
То есть рабочая точка периодически переходит с нижнего уровня характеристики ИФД на верхний и обратно. При этом ЗГ попеременно переключается с частоты на и обратно. Такое переключение приводит то к отставанию, то к опережению тактовой последовательности относительно импульсов значащих моментов. Характер изменения частоты задающего генератора в режиме авторегулирования его частоты и изменения разности фаз колебаний на входе ИФД изображены на рисунке 16.
Рисунок 16
Малые отклонения фазы определяются инерционностью контура регулирования. Если последовательность импульсов значащих моментов пропадает, то триггер ИФД остается в одном из устойчивых состояний. При этом ЗГ генерирует импульсную последовательность с частотой или и разность фаз циклически изменяется между уровнями так, как это показано, например, при , в правой части рисунка 16. При появлении импульсов значащих моментов режим авторегулирования восстанавливается. Чем больше интервал , тем быстрее происходит восстановление синхронизма, но и тем быстрее нарушается синхронизм при пропадании импульсов значащих моментов.
Недостатком устройства синхронизации с непосредственным (непрерывным или дискретным) воздействием на частоту задающего генератора является невысокая точность синхронизации. Это объясняется тем, что генератор, в котором осуществляется воздействие на параметры хронирующего контура, обладает малой стабильностью. Это ограничивает применение описанных способов формирования тактовых последовательностей в высокоскоростных системах передачи дискретных сигналов.
При отсутствии непосредственного воздействия на частоту задающего генератора стабильность генератора может быть многократно увеличена, например применением кварцевой стабилизацией частоты. В этом случае подстройка тактовой последовательности по фазе к принимаемой двоичной последовательности осуществляется с помощью преобразователя последовательности импульсов (ППИ). Функциональная схема такого устройства изображена на рисунке 17.
Рисунок 17
Она содержит замкнутый контур управления, включающий в свой состав ИФД, реверсивный счетчик РС, ППИ и делитель частоты ДЧ. Непосредственное управление частотой осуществляют узлы ДЧ, РС и ППИ под управляющим воздействием от ИФД, на информационный вход которого подается последовательность коротких импульсов значащих моментов. Частота задающего генератора выбирается больше требуемого значения в раз, где - коэффициент деления ДЧ. Чем больше , тем меньше шаг подстройки по фазе.
Преобразователь последовательности импульсов выполняет функцию добавления или исключения импульсов в последовательности, генерируемой ЗГ. Такая модификация этой последовательности называется стаффингом. Если в последовательность импульсов от ЗГ добавляется импульс, то такое действие называют плюс - стаффингом, если вычитается, то минус - стаффингом.
При добавлении импульса в ППИ тактовая последовательность на выходе Д4 получает положительный сдвиг на величину (или по фазе на величину ). При исключении импульса получаем отрицательный сдвиг на такую же величину. Импульсно-фазовый детектор выполняется по схеме с релейной характеристикой. Реверсивный счетчик РС выполняет роль усредняющего устройства для сигналов на выходе ИФД.
Билет 4