Меню

Автоматическая подстройка частоты генератора

ГЕНЕРАТОРЫ С АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

По своему схемному решению генераторы с независимым возбуждением, выполненные с автоматической подстройкой частоты (рис. 4.5.) близки к генераторам с самовозбуждением.

Предварительный усилитель, выходные каскады усилителя мощности и схема согласования генератора с колебательной системой выполнены без изменений.

Отличие таких генераторов заключается в наличии задающего генератора, выполненного на элементах D.D.1 по схеме перестраиваемого мультивибратора. Рабочая частота задающего генератора изменяется за счет внешнего управляющего напряжения.

Управляющее напряжение вырабатывается устройством обратной связи, выполненном на трансформаторе Т3 и элементах VD13, VD14, R11, R12, C6.

Схема автоматической подстройки частоты обеспечивает контроль параметров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку и выработку электрического сигнала, пропорционального изменению этой акустической мощности. Выработанный обратной связью электрический сигнал обеспечивает быстрое изменение параметров задающего генератора .

Выполненная таким образом обратная связь обеспечивает постоянство акустической мощности излучаемой энергии.

Для контроля параметров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку используются три вида устройств, формирующих сигнал обратной связи.

1. Устройства, позволяющие получать сигнал обратной связи путем контроля параметров электрической цепи, соединяющей генератор с колебательной системой.

2. Устройства, регистрирующие механические колебания ультразвуковой колебательной системы.

3. Устройства, регистрирующие ультразвуковые колебания в обрабатываемых средах.

Устройство третьего типа не пригодно для использования в многофункциональных УЗ аппаратах из-за многообразия используемых рабочих объемов и необходимости выполнения различных технологических операций.

Устройство второго типа требует применения специальных преобразователей, соединения их с рабочей колебательной системой. Это усложняет конструкции колебательных систем и на практике используется крайне редко.

Поэтому, наиболее широкое распространения получили устройства третьего типа, в которых в качестве сигнала обратной связи используется составляющая тока скомпенсированного преобразователя, соответствующая, при определенных условиях, значению тока в механической ветви преобразователя.

Для получения сигнала обратной связи цепь согласования генератора и колебательной системы дополнена трансформатором Т3. Индуктивность компенсирующего L1, при оптимальной компенсации собственной емкости колебательной системы, обеспечивает равенство тока в первичной обмотке трансформатора Т3, току в механической ветви преобразователя.

Сигнал обратной связи подается на задающий генератор и обеспечивает его перестройку в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических свойств обрабатываемой среды.

Рис.4.5. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением и автоподстройкой частоты.

Кроме перестройки рабочей частоты задающего генератора сигнал обратной связи используется для стабилизации амплитуды колебательной системы. Для этого сигнал обратной связи подается на предварительный усилитель и изменяет параметры усиления.

Для включения генератора не заданный промежуток времени используется таймер на элементах D.D1.3. и D.D.3. Рассмотренный генератор с независимым возбуждением, выполненный по схеме с автоматической подстройкой частоты обеспечивает отслеживание всех возможных изменений собственной резонансной частоты колебательной системы и параметров обрабатываемых сред, стабилизацию амплитуды колебаний рабочего инструмента.

Достоинства такого генератора позволили использовать их в многофункциональных УЗ аппаратах мощностью 160 и 400.

Однако, при изготовлении ультразвуковых аппаратов, предназначенных для длительной эксплуатации а производственных условиях используют более сложные схемы генераторов с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты. Одна из таких схем представлена на рис. 4.6. (задающий генератор, схемы управления и предварительный усилитель) и рис.4.7. (источники питания, усилитель мощности и схемы формирования сигнала обратной связи и защиты генератора).

Отличительной особенностью показанного на рис. 4.6. и рис.4.7. генератора является выполнение задающего генератора на специализированной микросхеме D.D.1 управляемого генератора (типа 561ГГ1). Предусмотренная в генераторе регулировка выходной мощности осуществляется с использованием схемы широтно-импульсной модуляции, обеспечивающей формирование изменяющихся по длительности прямоугольных импульсов и подачу их на предварительный усилитель, выполненный на транзисторах VT8 — VT11. В выходном каскаде — усилителе мощности предусмотрено измерение токов, протекающих через выходные транзисторы. При превышении тока, протекающего через транзисторы, определенной величины, установленной резистором R9, вырабатывается сигнал защиты, выключающий генерацию в задающем генераторе и исключающий протекание через транзисторы выходного каскада недопустимых по величине токов. Передача сигнала защиты от выходного каскада к задающему генератору осуществляется через оптрон VU1.

Рис.4.6. Принципиальная схема предварительных каскадов генератора повышенной мощности.

Рис.4.7. Принципиальная схема выходных каскадов генератора повышенной мощности.

Сигнал обратной связи формируется с помощью дифференциального трансформатора TR4. Получаемый на выходной обмотке этого трансформатора сигнал пропорционален току механической ветви ультразвуковой колебательной системы и обеспечивает перестройку задающего генератора в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических параметров обрабатываемых сред.

Для обеспечения согласования генератора с различными колебательными системами используются перестраиваемые выходной трансформатор TR3 и компенсирующий дроссель L4.

Дата добавления: 2015-02-25 ; просмотров: 3221 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ). АПЧ гетеродина

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) — устройство или метод автоматического изменения и удержания необходимой частоты электрических колебаний генератора. В процессе работы РЛС частота передатчика и гетеродина неизбежно изменяются под воздействием различных дестабилизирующих факторов. Основными из этих факторов являются изменения:
• параметров резонансных элементов передатчика и гетеродина из-за влияния колебаний температуры, влажности, давления;
• режима питания генераторов в результате нестабильности источников питания;
• нагрузки передатчика за счет непостоянства связи с антенной при ее вращении.
В результате относительного изменения частот гетеродина и передатчика разностная частота будет отличаться от номинального значения промежуточной частоты и спектр сигнала частично или полностью уйдет за пределы полосы пропускания УПЧ, и как следствие неизбежно ухудшение чувствительности приемника, а при полном уходе спектра за пределы полосы пропускания — прекращение приема.
Следовательно, необходимо обеспечить постоянство разностной частоты путем автоматического слежения частоты одного генератора за изменением частоты другого. Обычно «следящей» частотой является частота гетеродина. В РЛС используется как ручная, так и автоматическая подстройка частоты (АПЧ) гетеродина приемника, обеспечивающая выполнение равенства:

где значения частот, генерируемых соответственно гетеродином приемника и импульсным магнетроном передатчика.
Системы АПЧ представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования и предназначены для поддержания разности частот между частотой сигнала, излученного в пространство, и сигналом местного гетеродина, равной промежуточной.
Работа системы автоматической подстройки становится понятной после рассмотрения характеристики дискриминатора системы АПЧ относительно частотной характеристики УПЧ:

Частотная характеристика АПЧ

Такую характеристику имеет устройство, схема которого представлена ниже.

Автоматическая подстройка частоты

Частотный дискриминатор служит для получения напряжения рассогласования с полярностью, зависящей от знака расстройки; величина этого напряжения пропорциональна величине расстройки.
Подстройка частоты гетеродина приемника будет осуществляться, если величина расстройки по частоте не превышает зоны захвата. Если расстройка по частоте будет больше зоны захвата, тогда система АПЧ не будет работать.
Для того чтобы система АПЧ работала при любых расстройках частоты, на схему, управляющую частотой гетеродина, подается пилообразное напряжение «поиска» сигнала с периодом следования зондирующих импульсов. Как только частота гетеродина становится такой, что значение промежуточной частоты на выходе смесителя попадает в полосу захвата АПЧ, напряжение на входе управляющей схемы запоминается и начинает работать система АПЧ.
Существующие системы АПЧ можно классифицировать по следующим признакам:
а). По виду дискриминатора
• система частотной автоподстройки;
• система фазовой автоподстройки.
b). По параметру
• система автоподстройки разностной частоты;
• система стабилизации абсолютного значения частоты;
c). По типу управителя
• электронные;
• электрические;
d). По способу настройки стабилизируемого параметра
• следящие;
• поисковые;
e). По виду эталона частоты:
• с активным эталоном (кварц);
• с пассивным эталоном (резонансные системы);
В современных РЛС необходимость системы АПЧ отпадает. В таких РЛС передатчик работает как усилитель СВЧ. Напряжение возбуждения передатчика формируется на высокостабильных транзисторах, которые используются одновременно для формирования гетеродинных напряжений приемника. В этом случае, если даже произойдет изменение частоты задающего генератора, на такую же величину изменится частота гетеродина.

Источник

Методы автоматической подстройки частоты

Суть АПЧ состоит в том, что частота колебаний генератора преобразуется к частоте некоторого эталона (высокостабильного колебания), сравнивается : этим эталоном, и полученная ошибка используется для устранения нестабильности частоты генератора.

В зависимости от схемы сравнивающего устройства системы АПЧ подразделяются на системы частотной автоподстройки (ЧАП), системы фазовой автоподстройки (ФАП) и системы импульсно-фазовой автоподстройки (ИФАП). В системах ЧАП в качестве сравнивающего устройства служит частотный детектор (ЧД), в системах ФАП – фазовый детектор (ФД), а в системах ИФАП – импульсно-фазовый детектор (ИФД).

Недостатком систем частотной автоподстройки является наличие остаточной расстройки автогенератора, устранение которой требует специальных мнительных мер. По этой причине системы ЧАП не находят в настоящее время широкого применения.

Рассмотрим подробнее систему ФАП, принцип работы которой поясняется рис. 2.6.

Выходное колебание синтезатора создает управляемый генератор (УГ)1, автоматически подстраиваемый кольцом ФАП. Для осуществления автоподстройки колебания УГ преобразуются в колебания более низкой промежуточной частоты , которая определяется разностью между частотой датчика опорных частот и частотой управляемого генератора :

=

Рис. 2.6. Структурная схема системы ФАП

Колебания промежуточной частоты подаются на ФД, где сравниваются с эталонной частотой опорного генератора. На выходе ФД появится напряжение ( ), значение которого зависит от разности фаз (Dj) сравниваемых колебаний. Типичная характеристика ФД показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Характеристика фазового детектора

Кроме того, в спектре выходного напряжения ФД содержатся высокочастотные составляющие с частотами , и другие гармоники. Все эти составляющие должны быть подавлены с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ), включенного на выходе ФД. В противном случае они вызовут паразитную частотную модуляцию УГ. Отсюда следует, что частоту среза ФНЧ необходимо выбирать меньшей, чем частоту сравнения.

Если частоты сравниваемых колебаний на входе ФД отличаются, то напряжение на его выходе будет изменяться. Это напряжение является управляющим для УГ и будет изменять частоту его колебаний до тех пор, пока промежуточная частота не сравняется с эталонной, т. е. до выполнения условия . При этом на выходе ФД будет иметь место только постоянное напряжение, которое и будет удерживать систему в стационарном состоянии.

Таким образом, в установившемся режиме частота колебаний на выходе системы ФАП будет равна

,

т. е. полностью определяется высокостабильными частотами ОГ и ДОЧ.

Из приведенного выражения следует также, что при изменении одной из частот или система ФАП перестроит частоту УГ на такую же величину.

Максимальная начальная расстройка, которая может быть скомпенсирована системой ФАП, называется полосой схватывания (или захватывания) и ограничивается полосой в несколько килогерц. Поэтому в схемах применяются специальные системы автопоиска, которые изменяют частоту УГ во всем диапазоне частот и обеспечивают ее попадание в полосу схватывания системы ФАП. Система автопоиска обычно представляет собой автогенератор пилообразного напряжения, который запускается при отсутствии управляющего напряжения на выходе ФД и изменяет частоту УГ в широких пределах. Как только частота УГ попадает в полосу схватывания системы ФАП, генератор поиска выключается, сохраняя напряжение на выходе, которое было в момент выключения. Дальнейшее изменение частоты генератора обеспечивается системой ФАП.

Для изменения частоты автогенераторов используются так называемые реактивные элементы (РЭ), в качестве которых чаще всего служат варикапы. Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость которого изменяется под воздействием приложенного к нему напряжения. Если варикап подключить параллельно элементам колебательного контура автогенератора и подать на него управляющий (или модулирующий) сигнал, то под действием последнего будет изменяться эквивалентная емкость контура, а, следовательно, и частота генерируемых колебаний. Основная характеристика варикапа и один из вариантов включения его в контур автогенератора показаны на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Характеристика варикапа и вариант его включения в контур автогенератора

Цифровые синтезаторы частот

Широкое использование логических интегральных схем в технике связи обусловило появление новых типов синтезаторов частот, которые принято называть цифровыми. Наибольшее распространение получили цифровые синтезаторы, выполненные по методу косвенного синтеза с фазовой автоматической подстройкой частоты.

Наиболее простая схема цифрового синтезатора с системой ИФАП представлена на рис. 2.9.

В состав схемы входят управляемый генератор (УГ), формирующие устройства (ФУ), делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), импульсно-фазовый детектор (ИФД) и ФНЧ.

Рис. 2.9. Система ИФАП цифрового синтезатора частоты

Колебания УГ, преобразованные с помощью формирующего устройства в импульсную последовательность той же частоты, поступают на ДПКД. На выходе делителя имеет место последовательность импульсов с частотой следования , где N — коэффициент деления ДПКД, величина которого изменяется в необходимых пределах внешними органами управления. Последовательность с выхода ДПКД поступает на вход ИФД, где сравнивается с эталонной импульсной последовательностью.

На выходе ИФД выделяется управляющее напряжение, зависящее от разности фаз (частот) сравниваемых колебаний, и приводит систему в стационарное состояние, при котором соблюдается условия:

Из приведенного выражения видно, что выходная частота генератора полностью определяется эталонной частотой и установленным значением коэффициента деления N. При этом относительная нестабильность частоты УГ определяется относительной нестабильностью частоты опорного колебания.

Таким образом, применение цифровых элементов позволило заменить преобразователи частоты делителями, что существенно уменьшает уровень побочных колебаний на выходе синтезатора. Кроме того, использование ДПКД резко увеличило полосу схватывания системы ФАП, поэтому в сравнительно узкодиапазонных синтезаторах не требуется применение систем автопоиска.

Рассмотренные выше синтезаторы частот, независимо от методов их построения, находят широкое применение не только в возбудителях радиопередатчиков, но и в целом ряде различных радиотехнических устройств. В супергетеродинных радиоприемниках синтезаторы частот выполняют функции гетеродинов. Синтезаторы широко используются в измерительных приборах (генераторах, частотомерах, анализаторах спектра и пр.), в телеметрических устройствах, в различных приборах, предназначенных для физических исследований, и т. д.

4. Тракты формирования радиосигналов

Одной из функций возбудителя является преобразование первичных электрических сигналов в высокочастотные сигналы (радиосигналы). Это преобразование рассматривается как формирование радиосигналов.

В современных военных радиостанциях широко используются следующие виды радиосигналов:

¨ телефонные с однополосной модуляцией (ОМ);

¨ телефонные с частотной модуляцией (ЧМ);

¨ телеграфные с амплитудной манипуляцией (АТ – амплитудное телеграфирование);

¨ телеграфные с частотной манипуляцией (ЧТ – частотное телеграфирование);

¨ телеграфные с двойной частотной манипуляцией (ДЧТ);

¨ телеграфные с относительной фазовой манипуляцией (ОФТ).

Каждый вид радиосигналов требует специальных устройств, которые реализуют тот или иной метод формирования. Все формирующие устройства обычно объединяются в один конструктивный и функциональный блок – блок формирования радиосигналов (БФС).

Независимо от вида формируемых радиосигналов к БФС предъявляются следующие общие требования:

– минимальный уровень нелинейных и частотных искажений первичного сигнала в процессе формирования радиосигнала;

– минимальный уровень побочных колебаний в процессе формирования радиосигналов;

– малый уровень собственных шумов на выходе БФС;

– высокая стабильность частоты формируемых радиосигналов.

Выполнение указанных требований легче обеспечить при сравнительно малых уровнях сигналов и относительно низких частотах. Поэтому в большинстве случаев радиосигналы первоначально формируются в БФС на одной фиксированной частоте, измеряемой сотнями килогерц или единицами мегагерц, а затем с помощью ряда преобразований частоты (в такте преобразования радиосигналов) спектр сигнала переносится в область более высоких частот, а при последнем преобразовании — на рабочую частоту возбудителя. Все опорные колебания, обеспечивающие преобразование сигнала и перенос его спектра на рабочую частоту, вырабатываются синтезатором.

Рассмотрим принципы формирования отдельных видов радиосигналов.

4.1. Формирование радиосигналов с однополосной

В настоящее время при работе радиостанций в телефонном режиме на частотах до 20. 30 МГц основным видом модуляции стала однополосная модуляция (ОМ), которая имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с применявшейся ранее амплитудной модуляцией (см. занятие № 1).

Существуют различные способы формирования ОМ сигналов: фильтровый, фазофильтровый, фазокомпенсационный, синтетический и др. В современной аппаратуре находит широкое применение только один из них – фильтровый способ. Этот способ прост в реализации и обеспечивает получение высоких качественных показателей возбудителей. Фильтровый способ предполагает выделение с помощью полосового фильтра одной из боковых полос амплитудно-модулированного сигнала. Принцип формирования ОМ сигнала поясняется рис. 2.10.

Рис. 2.10. Фильтровый способ формирования ОМ сигналов

На входы балансного модулятора подаются первичный электрический сигнал, имеющий спектр F, и гармонический сигнал с частотой в качестве несущего колебания. На выходе модулятора, собранного по балансной схеме, получается спектр АМ сигнала в составе нижней боковой полосы частот ( ), верхней боковой полосы частот ( ) и подавленной несущей . Узкополосный фильтр на выходе модулятора предназначен для выделения необходимой боковой полосы частот (на рис. 2.10 – верхней) и подавления второй боковой полосы и остатка несущей.

В военной радиосвязи первичный сигнал занимает полосу частот
F = 300. 3400 Гц, поэтому расстояние на частотной оси между подавляемой и не подавляемой боковыми полосами составит всего 600 Гц. Необходимость эффективного подавления (60 дБ) второй боковой полосы частот, столь близко расположенной на оси частот к выделяемому сигналу, предъявляет жесткие требования к полосовому фильтру. В современных возбудителях применяются, как правило, кварцевые фильтры, рассчитанные на стандартные промежуточные частоты (чаще всего = 128 кГц).

Тракт формирования ОМ радиосигналов должен предусматривать возможность передачи так называемого пилот-сигнала – остатка несущего колебания. Пилот-сигнал необходим для неискаженной демодуляции ОМ сигнала в радиоприемном устройстве при несовпадении частоты радиопередатчика с частотой настройки радиоприемника. Такое несовпадение частот (асинхронизм радиолинии) может возникать за счет нестабильности рабочих частот передатчика и приемника, а также вследствие доплеровского сдвига частоты при обеспечении радиосвязи с высокоскоростными объектами. Уровень пилот-сигнала в этом случае выбирается порядка 10 % (минус 20 дБ) от максимального напряжения однополосного радиосигнала и используется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) радиоприемника.

Пилот-сигнал большего уровня (50. 70% или минус 6 дБ) применяется 1ля имитации амплитудно-модулированного сигнала. Такой сигнал может быть принят радиостанциями старого парка, в которых предусмотрена работа только АМ сигналами.

Источник

Adblock
detector