АПЧ. Лабораторная работа исследование автоматической подстройки частоты в приемнике
 Скачать 149.4 Kb.
|
|
Николайчук В.Н., Сарафов Б.В. Лабораторная работа ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ В ПРИЕМНИКЕ Цель лабораторной работы состоит в изучении принципов работы автоматической подстройки частоты (АПЧ) в радиоприемном устройстве. Рассматриваются характеристики отдельных элементов статической АПЧ и всей системы в целом, а также влияние ее на характеристики приемного устройства частотно-модулированных сигналов. 1. Общие положения Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) находит широкое применение в супергетеродинных приемниках различного назначения. Она может использоваться для стабилизации частоты гетеродина или стабилизации частоты преобразованных колебаний. В последнем случае АПЧ в одинаковой степени реагирует как на уход частоты гетеродина, так и на отклонение частоты сигнала. При этом положение спектра сигнала поддерживается в центре частотной характеристики усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Это обстоятельство позволяет использовать более узкую полосу пропускания приемного тракта, что особенно важно при повышенных требованиях к чувствительности и частотной избирательности приемника. Функциональная схема приемного устройства с АПЧ, стабилизирующей промежуточную частоту, представлена на рис.1. Элементами системы АПЧ являются измерительное устройство (различитель), фильтр низкой частоты (ФНЧ), усилитель постоянного тока (УПТ), регулятор частоты гетеродина (управитель). Различитель реагирует на отклонение промежуточной частоты от номинальной (эталонной) и вырабатывает управляющее напряжение U упр , соответствующее величине и знаку этого отклонения. После усиления в УПТ это напряжение управляет частотой гетеродина посредством управителя, изменяя ее таким образом, чтобы отклонение промежуточной частоты уменьшить. УПТ увеличивает эффективность автоподстройки. Фильтр (ФНЧ) обеспечивает подавление частот модуляции в управляющем напряжении и устанавливает скорость срабатывания АПЧ, т.е. определяет степень ее инерционности. В данной работе исследуется АПЧ, в которой различителем служит частотный детектор. Типичная характеристика его представлена на рис.2. В качестве элемента управления частотой гетеродина может быть использована емкость запертого p-n перехода (варикап). Зависимость частотной расстройки гетеродина ( f гет ) от приложенного к варикапу управляющего напряжения представляет собой характеристику управителя, изображенную на рис.3. При возникновении в приемнике начальной расстройки f нач , вызванной отклонением частоты сигнала или уходом частоты гетеродина, после переходного процесса установится остаточная расстройка f ост (ошибка АПЧ). Для линейного участка характеристик различителя и управителя (т.е. для небольших расстроек) эта ошибка будет определяться выражением f нач f ост = (1) 1+K упт S р S упр 2 3 Здесь S р и S упр - крутизны характеристик различителя и управителя; K упр - коэффициент усиления УПТ. Знак минус в (1) соответствует инвертирующему преобразованию (f пр =f г -f с ), а знак плюс – не инвертирующему (f пр =f с -f г ). Отсюда следует, что если УПТ не меняет знак управляющего напряжения, то для нормальной работы АПЧ в первом случае необходимо обеспечить противоположный наклон характеристик различителя и управителя, чтобы выполнить условие S р S упр <0, а во втором S р S упр >0. Остаточная расстройка при этом меньше начальной и равна f нач f ост = (2) 1+K упт S р S упр Эффективность АПЧ может быть оценена коэффициентом автоподстройки K ап =1+K упт |S р | |S упр | = f нач / f ост . (3) Из (3) следует, что эффективность АПЧ возрастает с ростом петлевого усиления, которое определяется произведением K упт |S р | |S упр |. Однако это не означает, что K ап можно сколь угодно повышать за счет увеличения петлевого усиления. Система АПЧ, как содержащая обратную связь, может потерять устойчивость и возбудиться. Для того, чтобы не допустить этого, приходится ограничивать K ап и иметь достаточно инерционный ФНЧ (большую постоянную времени ап ). В приемниках ЧМ сигналов АПЧ может привести к искажению сквозной частотной характеристики (характеристики верности). Действительно, частотная модуляция представляет собой частотное отклонение сигнала. Поэтому АПЧ при определенных условиях может отреагировать на него. В результате действия АПЧ девиация ЧМ сигнала уменьшится. Уменьшится и уровень выходного сигнала на тех частотах модуляции, для которых ФНЧ недостаточно инерционен. Это явление проявляется тем сильнее, чем больше петлевое усиление в АПЧ. Выше система АПЧ рассматривалась при малых расстройках. В широкой области частот работа АПЧ описывается регулировочной характеристикой, представляющей собой зависимость f ост =Ф( f нач ). Но в отличие от (1) эта характеристика соответствует той полосе частот, в которой автоподстройка "удерживает" сигнал при плавном уходе частоты, или "захватывает" сигнал при подходе к нему. Указанные полосы частот носят соответствующие названия "полосы удержания" и "полосы захвата". Эти полосы могут быть равными или несколько различаться в зависимости от вида характеристики различителя (в данной работе они равны). Регулировочная характеристика может быть построена как решение системы двух нелинейных уравнений, представляющих собой характеристики различителя и управителя. О построении этой характеристики будет сказано в разделе 3.6 (рис.5). 2. Лабораторная установка Лабораторная установка представлена структурной схемой рис.4. Она содержит линейный тракт УКВ ЧМ приемника и кольцо АПЧ. Элементами системы АПЧ являются: - ЧМ детектор (ЧД), выполняющий кроме основной своей функции демодулятора сигнала ЧМ еще и роль измерительного элемента системы АПЧ (различителя); - фильтр низкой частоты, определяющий быстродействие АПЧ (постоянную времени ап ); - усилитель постоянного тока УПТ, увеличивающий эффективность АПЧ; - электронный управитель частотой гетеродина (варикап). 4 5 Система переключателей позволяет подключать измерительные приборы к различным частям схемы, разрывать цепь АПЧ, изменять ап и усиление УПТ. При разомкнутой цепи АПЧ имеется возможность изменять частоту гетеродина с помощью ручной регулировки R (подается управляющее напряжение на управитель от источника постоянного напряжения в пределах 5 В). Центральная частота настройки приемника близка к 80 МГц, что соответствует напряжению на управителе, равному нулю. Источником входного сигнала служит генератор ЧМ сигнала (ГВЧ), в котором может быть использована внутренняя ЧМ (1 кГц), или внешняя от генератора звуковой частоты (ЗГ). Значение частоты ГВЧ определяется по шкале с учетом нониуса или цифровым частотомером. Контроль за выходным НЧ сигналом приемника и его измерения осуществляются осциллографом. Одновременно к выходу подключен и вольтметр переменного напряжения. Однако его показания на частотах ниже 100 Гц содержат значительные ошибки. Это надо иметь в виду при выполнении пункта 3.8. В лабораторной установке используется также цифровой вольтметр постоянного напряжения (V=), который предназначен для измерений управляющего напряжения с выхода УПТ, а также напряжения на управителе, устанавливаемого ручной регулировкой R. 3. Программа работы 3.1. Принципы работы системы АПЧ Изучить принципы работы системы АПЧ в радиоприемных устройствах, а также ее основные характеристики, используя предложенную литературу и настоящее пособие. 3.2. Структурная схема лабораторной установки Ознакомиться со структурной схемой лабораторной установки и электрической схемой цепи АПЧ. Изучить систему переключений, обеспечивающую возможность проводить измерения в различных режимах работы лабораторного макета: - Работа макета с выключенной системой АПЧ. При этом к управителю должен быть подключен регулятор R, позволяющий вручную изменять частоту гетеродина. Напряжение на управителе при этом измеряется вольтметром V=. Этот же вольтметр подключается и к выходу УПТ для снятия характеристики различителя (вместе с УПТ). - Работа макета с включенной цепью АПЧ. Регулировка R должна быть отключена. Вольтметр V= позволяет измерять напряжение на выходе различителя (оно же на входе управителя), соответствующее остаточной расстройке. Измерения могут проводиться при разных значениях K упт и разных параметрах ФНЧ. 3.3. Визуальный контроль за работой системы АПЧ Провести визуальный контроль за работой АПЧ. Убедиться в работе АПЧ на основном канале приемника (f с =f г -f пр ) и в отсутствии автоподстройки при работе по зеркальному каналу (f зк =f г +f пр ). Выполнение этого пункта программы следует начать с настройки приемника на выбранную частоту (f со =80 МГц) при выключенной системе АПЧ. Этой частоте настройки соответствует нулевое значение напряжения на управителе. Установив и измерив резонансную частоту настройки приемника (без АПЧ), можно убедиться, что уже при небольшой расстройке ГВЧ наступает искажение сигнала, а затем его потеря. После этого следует включить систему АПЧ и убедиться в ее работе, плавно перестраивая частоту ГВЧ в 6 обе стороны. Можно наблюдать, что приемник "держит" сигнал в некоторой значительной области частот. Для того, чтобы убедиться в отсутствии автоподстройки на зеркальном канале, необходимо перестроить ГВЧ на частоту f зк =f с +2f пр (f пр =11 МГц) и при выключенной АПЧ зафиксировать прохождение сигнала. При этом потребуется увеличить сигнал ГВЧ не менее чем в 10 раз. Затем включается цепь АПЧ, и можно убедиться, что сигнал на выходе пропадает, так как происходит расстройка приемника. 3.4. Статическая характеристика измерительного элемента Снять статическую характеристику измерительного элемента АПЧ (различителя). Характеристика различителя при инвертирующем преобразовании определяется функцией U упр =Ф( f пр )=Ф(- f с ) и снимается при разомкнутой петле АПЧ. Управляющее напряжение измеряется на выходе УПТ при дискретном изменении частоты ГВЧ с шагом 100 кГц в пределах 700 кГц относительно f со . Измерения провести для двух значений усиления УПТ. Крутизна характеристики различителя определяется как S р = U упр / f пр на линейном участке. 3.5. Статическая характеристика управляющего элемента Снять статическую характеристику управляющего элемента АПЧ (управителя). Характеристика управителя f г =Ф(U упр ) снимается также при разомкнутой петле АПЧ. Напряжение на управитель надо подать с ручной регулировки R. Дискретно изменять напряжение с шагом 1 В в пределах 5 В от нулевого значения. Частота гетеродина при этом будет изменяться. На такую же величину будет изменяться и промежуточная частота, т.е. f пр = f г . Эту расстройку можно измерить по шкале ГВЧ, если изменением частоты сигнала свести расстройку f пр к нулю. При этом f с = f г . Это условие фиксируется по резонансу выходного напряжения и уточняется по переходу через нуль напряжения с выхода различителя. Крутизна управителя определяется как S упр = f г / U упр 3.6. Расчетная регулировочная характеристика системы АПЧ Получить расчетным путем регулировочную характеристику АПЧ. Определить из нее коэффициент автоподстройки и область работоспособности АПЧ (полоса частот захвата и удержания). Сделать выводы о влиянии на показатели АПЧ характеристик отдельных ее элементов. Регулировочная характеристика определяет связь между остаточной и начальной расстройками в приемнике с замкнутой петлей АПЧ. Расчетным путем она может быть определена, как показано на рис.5. При начальной расстройке, равной нулю, точка пересечения характеристик различителя и управителя находится в нуле, что соответствует f ост =0. При появлении начальной расстройки f нач =+ f с преобразованная частота f пр изменится на + f пр , так как при инвертирующем преобразовании f пр =f г -f с . Значит, характеристика управителя сместится относительно характеристики различителя на f нач (положение 1), а точка пересечения будет соответствовать установившемуся режиму в системе АПЧ и определит остаточную расстройку f ост . Максимальная возможная начальная расстройка соответствует положению 2, при котором АПЧ перестает работать, так как крутизна характеристики различителя в точке пересечения становится равной нулю. Это значение начальной расстройки в обе стороны от f со определяет полосу удержания и захвата системы АПЧ. Для определения регулировочной характеристики системы АПЧ необходимо задать несколько значений 7 начальных расстроек в полосе удержания и определить соответствующие значения остаточных расстроек. Характеристика должна быть представлена в виде графика, определяющего область работоспособности АПЧ для двух значений петлевого усиления. Коэффициент автоподстройки определить как K ап = f нач / f ост 3.7. Экспериментальная регулировочная характеристика Снять регулировочную характеристику и убедиться в правильности выводов, сделанных в пункте 3.6. При экспериментальном определении регулировочной характеристики необходимо ввести начальную расстройку изменением частоты входного сигнала. АПЧ отработает эту расстройку, но с ошибкой f ост , которая, в свою очередь, вызывает напряжение на выходе УПТ. Используя характеристику различителя, можно определить, какой остаточной расстройке это напряжение соответствует. Последовательность измерений: - При замкнутой цепи АПЧ установить частоту ГВЧ, равной f со , что соответствует U выхупт =0, f нач =0, f ост =0. - Ввести несколько начальных расстроек f нач , определяя каждый раз величину и знак U выхупт . Каждое значение U выхупт позволяет по ранее снятой характеристике различителя определить f ост , которое соответствует введенной начальной расстройке. Интервал изменений начальных расстроек должен превышать полосу удержания, которая может быть определена по уменьшению уровня выходного сигнала в два раза (на границе полосы удержания остаточная расстройка становится настолько большой, что спектр сигнала выходит за пределы полосы пропускания приемника). Измерения провести для двух значений петлевого усиления. Рекомендуется также убедиться в том, что при используемой характеристике различителя полосы удержания и захвата равны. Из полученных характеристик определить значения коэффициента автоподстройки, полосы "захвата" и "удержания" и сравнить их с полученными ранее. 3.8. Сквозная частотная характеристика ЧМ приемника Экспериментально исследовать влияние, оказываемое системой АПЧ на сквозную частотную характеристику ЧМ приемника (характеристика верности). Ввести внешнюю частотную модуляцию ГВЧ от звукового генератора. Изменяя частоту модуляции F и поддерживая индекс модуляции постоянным, измерять напряжение звуковой частоты на выходе частотного демодулятора U выхчд , построив затем характеристику верности В=U выхчд (F)/U выхчд (F=1 кГц). Измерения провести без АПЧ и с АПЧ при трех значениях инерционности ФНЧ и двух значениях петлевого усиления в интервале частот от 20 Гц до 10 кГц. Обратить внимание на область частот 20 Гц – 1 кГц. По результатам измерений, построить графики в логарифмическом масштабе. 4. Содержание отчета Отчет должен содержать структурную схему лабораторной установки, экспериментальные характеристики различителя и управителя в виде графиков, результаты графического определения регулировочной характеристики, графики экспериментальной регулировочной характеристики (для двух значений петлевого усиления), график сквозной частотной характеристики ЧМ приемника для трех значений инерционности ФНЧ и двух значений петлевого усиления, выводы по работе относительно качественных показателей приемного устройства с АПЧ. 8 5. Контрольные вопросы 1. Назначение АПЧ в приемном устройстве. 2. Какими показателями оценивается работа АПЧ в приемнике? 3. Что такое коэффициент автоподстройки, и как он зависит от петлевого усиления системы АПЧ? 4. Чем определяется полоса удержания? 5. Как влияет крутизна управителя на полосу захвата? 6. С какой целью в цепи регулирующего напряжения системы АПЧ включен фильтр нижних частот? 7. Что является эталоном частоты в данной системе АПЧ? 8. Какие различия должны иметь схемы АПЧ при инвертирующем и неинвертирующем преобразовании? 9. Каков механизм влияния системы АПЧ на характеристику верности приемника ЧМ сигналов? 10. Какое влияние оказывают характеристики отдельных элементов схемы АПЧ на работу АПЧ и приемника в целом? Литература 1. Радиоприемные устройства /Под ред. В.И.Сифорова. - М.: Сов.радио, 1974 - с.358-373. 2. Радиоприемные устройства /Под ред. А.Г. Зюко. - М.: Связь, 1975 - с.234-241. 3. Радиоприемные устройства /Под ред. А.П. Жуковского. - М.: Высшая школа, 1989 - с.179-194. |