ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ИССЛЕДОВАНИЕСИСТЕМЫ ФАЗОВОЙАВТОПОДСТРОЙКИЧАСТОТЫ

Цель работы: исследовать зависимости полосы захвата и полосы удержания системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) от значений коэффициента усиления в петле обратной связи и параметров интегрирующего и пропорционально-интегрирующего фильтров, а также влияние аддитивного входного шума на основные характеристики системы ФАПЧ.

Описаниелабораторнойустановки

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований процесса фазовой автоподстройки частоты. Структурная схема установки приведена на рис. 13.

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), собран по схеме двухкаскадного усилителя с положительной обратной связью. Нагрузкой усилителя является параллельный резонансный контур. Изменение частоты генератора осуществляется с помощью токозадающего транзистора, включенного в эмиттеры транзисторов двухкаскадного усилителя. Выбор рабочей точки токозадающего транзистора (управляющего элемента – УЭ) производится с помощью потенциометра Rрег. Уровень напряжения на входе УЭ может контролироваться с помощью осциллографа или вольтметра, подключенного к выходу «Сигнал управления». Колебание Uг(t) с входа ГУН поступает на компаратор напряжения, выполненный на ИМС К554СА4. Выход компаратора подключен к первому входу фазового детектора (ФД) и к выходу «Вых. генератора» лабораторной установки.

Входное колебание Uс(t) («Вход сигнала») и шум n(t) («Вход шума») поступают на аналоговый сумматор на транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Нагрузкой транзистора является широкополосный избирательный параллельный контур с полосой пропускания Fк = 60 кГц, шумовой полосой Fш.к ≈ 50 кГц и резонансной частотой fк = 470 кГц. Сигнал с выхода аналогового сумматора через компаратор напряжения, выполненный на ИМС К554СА4, поступает на второй вход фазового детектора. Для обеспечения устойчивой работы перед входами ФД установлены формирователи импульсов малой длительности на логических элементах И-НЕ. Фазовый детектор собран по схеме RS – триггера на двух логических элементах И-НЕ

(ИМС К1533ЛА3).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Вход Вход шума сигнала

Рис. 13. Структурная схема лабораторной установки

Выход фазового детектора соединен со входами двух ФНЧ: «Блок I» и «Блок II». Элементы блока I: R4 = 4,3 кОм, C1 = 0,022 мкФ, С2 = 2000 пФ. Элементы пропорционально-интегрирующего фильтра блока II: R3 = 4,3 кОм,

C1 = 0,022 мкФ, R1 = 430 Ом, С2 = 0,022 мкФ, R2 = 51 Ом.

Выходы этих фильтров через операционный усилитель на ИМС УД1408Б соединены с потенциометром Rрег управляющего элемента. Коэффициент передачи К петли обратной связи системы ФАПЧ регулируется с помощью переключателей К1 и К2. При этом K1/K2 ≈ 1,5.

Соединение лабораторной установки с контрольно-измерительной и вспомогательной аппаратурой показано на рис. 14. Источники питания ±12 В подключаются к разъему, расположенному на задней стенке корпуса установки.

Частота колебания на выходе ГУН контролируется по входу Fa цифровым частотомером. Уровень входного шума измеряется с помощью квадратичного милливольтметра генератора шума. Милливольтметром переменного тока измеряется уровень входного сигнала, частота которого контролируется цифровым частотомером. Для удобства измерения полосы захвата и полосы удержания системы ФАПЧ предусмотрено подключение выхода генератора стандартных сигналов к входу Fв частотомера. В этом случае возможно измерение отношения частот Fa/Fв: отношения частоты колебания на выходе ГУН к частоте входного сигнала. Для визуального контроля формы сигнала управления УЭ используется осциллограф.

Изменение коэффициента усиления К в петле обратной связи системы ФАПЧ происходит путем нажатия соответствующей кнопки (К1 или К2). Допускается одновременное включение кнопок К1 и К2.

Для измерения влияния параметров интегрирующего ФНЧ (блок I) на величину полосы захвата предусмотрено изменение значений конденсатора с помощью переключателей С1 и С2. Для этого включается кнопка Kн интегрирующего фильтра (блок I) и одна из кнопок С1 или С2. Для измерения влияния параметров пропорционально-интегрирующего ФНЧ (блок II) на величину полосы удержания и захвата предусмотрено изменение значений C1R1 и C2R2 (см. рис. 13). Для этого включается кнопка Kн пропорционально-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

интегрирующего фильтра (блок II) и отключается кнопка Кн в блоке I. Изменение параметров фильтра в блоке II происходит включением кнопок С1R1 или C2R2. Не допускается одновременное включение этих кнопок.

Порядоквыполненияработы

Ознакомившись с описанием контрольно-измерительной аппаратуры, входящей в экспериментальную лабораторную установку, включить приборы и саму установку нажатием кнопки «Вкл.» (рис. 14). После этого провести следующие измерения.

1.Получить зависимости полосы захвата и полосы удержания от значения параметров системы ФАПЧ. Установить уровень входного сигнала Uс(t) 100–200 мВ. Изменения частоты ωс = 2πfc входного сигнала производить

вдиапазоне от 450 до 510 кГц с шагом по частоте 2–5 кГц. Частоту fс изменять как в сторону увеличения (от 450 до 510 кГц), так и в сторону уменьше-

ния (от 510 до 450 кГц). Измерить среднюю частоту fг0 колебания на выходе ГУН (кнопки Кн должны находиться в отжатом состоянии).

1.1.Включить кнопкой Кн интегрирующий фильтр (блок I). Установить коэффициент усиления К = К1, значение конденсатора

ФНЧ – C1 и получить зависимость fc – fг = F(fс – fг0). Результаты измерения fc, fг/fс и расчетов fr, fс – fг, fc – fг0 занести в две таблицы (для перестройкиfс от 450 до 510 кГц и в обратную сторону). Построить график fс – fг = F(fс – fг0).

Установить коэффициент усиления К = K2, значение конденсатора

ФНЧ – С2 и получить зависимость fс – fг = F(fс – fг0). Результаты измерения fc,

fг/fс и расчетов fr, fс – fг, fc – fг0 занести в таблицы и построить график fс – fг = = F(fс – fг0).

Установить коэффициент усиления К = K2, значение конденсатора

ФНЧ – С2 и получить зависимость fс – fг = F(fс – fг0). Результаты измерения fc,

fг/fс и расчетов fr, fс – fг, fc – fг0 занести в таблицы и построить график fс – fг = = F(fс – fг0).

1.2. Включить кнопкой Kн пропорционально-интегрирующий фильтр (блок II), кнопка Кн на блоке I должна быть отжата.

Установить коэффициент усиления К = K1, подключить C1R1 и полу-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Установить коэффициент усиления К = К2, подключить С2R2 и получить зависимость fс – fг = F(fс – fг0). Результаты измерения fc, fг/fс и расчетов fr,

fс – fг, fc – fг0 занести в таблицы и построить график fс – fг = F(fс – fг0).

2. Получить зависимости полосы захвата и полосы удержания от значений отношений сигнал/шум на входе системы ФАПЧ. Включить кнопкой Кн на блоке I интегрирующий фильтр. Установить коэффициент усиления К = К2 и значение конденсатора ФНЧ С1. Включить генератор шума и для каждого из трех значений (0, –5 и –10 дБ) отношений напряжения входного сигнала к среднеквадратичному значению уровня шума получить зависимо-

сти fс – fг = F(fс – fг0). Результаты измерений fc, fг/fс и расчетов fr, fс – fг, fc – fг0 для каждого отношения сигнал/шум занести в две таблицы (для перестройки fс от

450 до 510 кГц и в обратную сторону) и построить графики fс – fг = F(fс – fг0).

Содержаниеотчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1.Наименование и цель работы.

2.Структурную схему, краткое описание принципа работы исследуемой системы ФАПЧ.

3.Результаты измерений и расчетов зависимостей полосы захвата

∆Fз = ∆Ωз 2π и полосы удержания ∆Fу = ∆Ωу 2π.

3.1.Для интегрирующего фильтра – таблицы с результатами измере-

ний и экспериментальные характеристики fс – fг = F(fс – fг0) для двух значений коэффициента усиления (К1 и К2) и двух значений емкости конденсатора (С1 и С2).

3.2.Для пропорционально-интегрирующего фильтра – таблицы с ре-

зультатами измерений и экспериментальные характеристики fс – fг = F(fс – fг0) для двух значений коэффициента усиления(К1 и К2) и значений C1R1 и C2R2.

3.3.Для интегрирующего фильтра при наличии входного аддитивного шума – при трех значениях отношения сигнал/шум на входе системы ФАПЧ (0, –5 и –10 дБ) таблицы с результатами измерений и экспериментальные

характеристики fс – fг = F(fс – fг0) для коэффициента усиления К2 и конденсатора С1.

4. Анализ полученных результатов.

4.1.Объяснение зависимости изменения ∆Fу от коэффициента усиле-

ния К в петле обратной связи ФАПЧ.

4.2. Объяснение зависимость ∆Fç от емкости конденсатора ФНЧ ин-

тегрирующего фильтра при постоянном значении коэффициента усиления К. 4.3. Сравнение экспериментальных значений отношений ∆Fз∆Fу

пропорционально-интегрирующего фильтра и теоретических значений m = R1(R + R1) при K = const .

4.4. Сравнение зависимости fс – fг = F(fс – fг0) для интегрирующего фильтра (К = К2 и С1) при наличии аддитивного шума и при его отсутствии.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

4.5. Объяснение характера зависимостей fс – fг = F(fс – fг0) для интегрирующего фильтра при наличии аддитивного шума и сравнение формы теоретических кривых.

Контрольныевопросыизадания

1.Каково назначение системы фазовой автоподстройки частоты в

УПиОС?

2.Перечислить основные характеристики системы ФАПЧ.

3.Привести структурную схему системы ФАПЧ.

4.Каково назначение фильтра низкой частоты в системе ФАПЧ?

5.Написать основное дифференциальное уравнение.

6.Объяснить фазовый портрет системы ФАПЧ.

7.Чему равна полоса захвата и полоса удержания в системе ФАПЧ с идеализированным ФНЧ?

8.Чем определяется полоса захвата системы ФАПЧ с интегрирующим

ФНЧ?

9.Какие преимущества дает применение пропорционально-интегрирую- щего фильтра?

10.Как влияет уровень аддитивного входного шума на полосу захвата

иполосу удержания системы ФАПЧ?

11.Что называется шумовой полосой системы ФАПЧ?