Частотне автоматичне підстроювання частоти

Найпоширеніший спосіб електронного підстроювання частоти гетеродина оснований на ввімкненні варікапа в коливальне коло(рис.4.2). Регулююча напруга, прикладена до варікапа, змінює його ємність і відповідно частоту коливань, що генеруються. В деяких випадках підстроювання взагалі не вимагає спеціальних кіл в гетеродині. Наприклад, частоту транзисторного гетеродина можна регулювати в невеликих межах шляхом подачі регулюючої напруги в коло живлення транзистора. Частота гетеродина залежить від ємностей транзистора, що входять до складу повної ємності його коливального контура, і змінюється тому, що ці ємності залежать від прикладених напруг.

Розглянемо властивості системи АПЧ схеми рис.4.2,а. Позначимо номінальне значення частоти сигналу через , а частоту гетеродина і перетворену тобто проміжну частоту, при точній настройці, відповідно через і . Приймемо, що частота радіостанції, сигнал якої приймається, з якої-небудь причини змінилася на , тобто стала рівною ;. Величина може бути як додатною так і від’ємною.

Приймемо також, що f_or – початкова величина частоти гетеродина при якій (або у випадку верхнього гетеродину). Зміна частоти гетеродину - може відбуватись як в напрямку збільшення так і в напрямку її зменшення. Тобто величина також може бути як додатньою так і від’ємною. Якщо система АПЧ відсутня або величини чи настільки великі, що виходять за межі робочого діапазону частот системи АПЧ, то зміна величини частоти гетеродину чи частоти сигналу передаючої станції зумовлюють пропорційну зміну величини проміжної частоти. При наявності системи АПЧ пропорційність залежності зміни від чи суттєво порушується. Розглянемо випадок зміни частоти гетеродину при наявності АПЧ (рис.4.2,а). Приймемо, що величина змінилась. Задаючись значеннями знаходимо відповідні величини і будуємо характеристику регулювання в такій послідовності:

1. Зобразимо характеристику залежності напруги частотного детектора від відхилення проміжної частоти: (рис. 4.1.1,а)

2 Розраховуємо або одержуємо експериментально характеристику залежності відхилень частоти гетеродина від напруги регулювання: (рис.4.1.1,б)

3. З допомогою характеристик пп. 1 і 2 розраховуємо і будуємо залежність зміни частоти гетеродину від відхилення проміжної частоти : (рис.4.1.1,в).

а) б) в)

Рис.4.1.1 Характеристики залежності , та

Штрихова лінія, яка проходить під кутом 45° (рис.4.1.2,а), при умові однакових масштабів по обох вісях, відображає зв’язок між і при відсутності АПЧ. Додамо до штрихової лінії залежність (суцільна лінія рис.4.1.2,а). Отримана характеристика дає можливість побудувати обернену залежність = γ() для цього відкладається по вертикальній вісі, а відповідні їм значення по горизонтальній (рис.4.4,б). Якщо прийняти, що це узагальнена зміна обох величин , одночасно або кожної окремо то залежність = γ() у випадку реальної системи АПЧ подібна зображеній на рис.4.5.

 

Рис.4.1.2 Характеристика, що відображає зв’язок між і при відсутності АПЧ та залежність = γ().

Рис.4.1.3 Характеристики регулювання.

По мірі росту величини збільшується відхилення проміжної частоти від номінального значення . При цьому зміна величини проміжної частоти значно менша ніж . Така закономірність зберігається бо точки a при додатних значеннях та до точки b при від’ємних. Далі характеристика переходить в області аc і bd. Зображені штриховими лініями оскільки вони не відповідають дійсному ходу процесу тому, що в цих областях система АПЧ є нестійкою. Збільшення , а значить і , за межі ділянок обмежених точками а і b відповідає виходу системи АПЧ за межі робочого діапазону частот. Межі робочого діапазону частот визначаються в першу чергу характеристикою частотного детектора рис.4.1.1,а. Збільшення за межі точки максимуму (мінімуму) приводить до зменшення величини регулюючої напруги . До того ж, наприклад в першому квадранті рис.4.3а приріст >0 буде супроводжуватись пониженням , тобто від’ємною величиною . Процес регулювання буде уже направлений на збільшення величини і завершиться при досягненні нульової величини напруги регулювання. Отже виходить за межі смуги пропускання ППЧ і напруга на виході частотного детектора падає практично до нуля. Система стрибкоподібно переходить в новий стан. Проміжна частота приймає значення, яке вона мала би за відсутності системи АПЧ. На рис.4.5 цей процес відображається переходом з точки а в m або з b в п. При подальшому збільшенні зміна величини проміжної частоти відбувається вправо вгору від точки m або вліво вниз від точки п.

При зменшенні , тобто налаштуванні приймача на частоту потрібного сигналу, відповідно зменшується наближаючись до номінального значення. Так відбувається до тих пір поки частота сигналу не наближається до краю смуги пропускання ППЧ і на виході частотного детектора не з’явиться напруга (точки с. d рис.4.1.3). Ця напруга почне настроювати гетеродин, що приведе до наближення проміжної частоти до номінального значення. Отже точка с (і відповідно точка d) є нестійкою і з неї відбувається перехід на стійку ділянку характеристики регулювання воа,як це показано стрілками з точок с і d. На рис.4.1.3 можна виділити області частот характерні для приймачів з частотною АПЧ. Одна з них це смуга частот між точками а і b вякій ланка АПЧ утримує проміжну частоту близькою до номінального значення. Ця смуга частот називається смугою утримання. Друга смуга частот між точками c і d близька до смуги пропускання приймача. При введенні проміжної частоти в цю смугу відбувається „захоплення” сигналу ланкою АПЧ. Після чого мало змінюється при відхиленнях частоти (тобто і , які окремо одна від одної або одночасно змінюються) в межах смуги утримування. При спробі переналаштовувати приймач з системою АПЧ з одної станції на іншу виникають утруднення; одна і та ж станція приймається в межах широкої ділянки шкали частот, на яких можуть знаходитись частоти інших радіостанцій. З ціллю уникнення вказаного ефекту передбачають вимикання АПЧ при переналагодженні РПП з однієї передаючої станції на іншу. Це можна зробити наприклад шляхом розривання або замикання кола подачі напруги .

Дія системи АПЧ може бути нестійкою в умовах завмирань або тимчасових припинень передачі сигналу. В цих випадках напруга зменшується або пропадає. Одночасно змінюється частота гетеродина, оскільки вона залежить від . При = 0 вона приймає значення, яке мала б за відсутності АПЧ. Якщо при цьому проміжна частота відповідатиме якій-небудь точці ділянки ст або dп характеристики регулювання (рис.4.1.3), то після відновлення дії напруги сигналу на вході приймача настройка вже не відновиться.

Рис.4.1.4 Характеристики АПЧ при нормальній (а) і ослабленій (b) напрузі сигналу на вході приймача.

Для відновлення прийому сигналу даної станції необхідно підстроїти приймач вручну так, щоб частота гетеродина відповідала інтервалу cd. При цьому відбудеться захоплення сигналу проміжної частоти колом АПЧ і буде забезпечений нормальний прийом. Підстроювання може бути проведено і автоматично, але для цього в приймачі повинен бути додатковий пристрій автоматичного пошуку.

Порушення прийому можливе не тільки при повному, але і при частковому завмиранні сигналу. Це ілюструється рис.4.1.4, де зображені характеристики АПЧ при нормальній (а) і ослабленій (b) напрузі сигналу на вході приймача. Через позначено зміну частоти гетеродина приймача, який в даному прикладі передбачається з середньою, не досягаючою межі а верхньої (і дзеркально відносно 0 нижньої) частоти смуги утримання. Відхилення проміжної частоти в нормальних умовах визначається на характеристиці точкою а і, як видно з рисунку, є невелике; тому забезпечений нормальний прийом сигналу.

Якщо в результаті завмирання сигналу напруга зменшиться так, що характеристика прийме вид кривої b, то на час завмирання досягне крайньої точки смуги утримання нової характеристики. Це положення нестійке, внаслідок чого відбудеться стрибок проміжної частоти, показаний стрілкою; частота вийде за межі смуги пропускання приймача і прийом стане неможливим.

Після відновлення нормальної напруги сигналу характеристика АПЧ прийме первинний вигляд а, але проміжна частота відповідатиме ординаті точки т, тобто прийом не відновиться. Буде потрібно так підстроїти гетеродин, щоб проміжна частота сигналу увійшла до смуги захоплення.

Описане явище вносить елемент ненадійності в роботу приймача з АПЧ. Розглянуті вище процеси можуть не відбутися, якщо за час завмирання сигналу напруга на виході частотного детектора не встигне істотно змінитися; для цього достатньо збільшити постійну часу розряду конденсатора у фільтрі нижніх частот. Проте використання фільтру з великою постійною часу робить коло АПЧ нечутливим до швидких змін частоти. До найбільш доцільних способів підвищення стійкості роботи приймача з АПЧ відносяться:

– автоматична зміна постійної часу шляхом перемикання елементів фільтру нижніх частот в колі АПЧ. При нормальній напрузі сигналу, що приймається, постійна часу мала і коло АПЧ швидко реагує на зміни частоти. При зменшенні амплітуди сигналу постійна часу збільшується і напруга протягом деякого часу зменшується повільно. Для перемикання елементів фільтра можна використовувати випрямлену напругу з виходу підсилювача проміжної частоти, наприклад з кола АРП;

– автоматичний пошук. При пропаданні сигналу вмикається пристрій, що автоматично подає на керуюче коло гетеродина (КК, на рис.4.2, а) плавно змінну напругу, такої величини, щоб проміжна частота змінювалась в межах смуги захоплення АПЧ. При відновленні дії сигналу відбувається захоплення частоти, після чого пристрій формування змінної напруги вимикається і поновлюється нормальний прийом;

– побудова кола АПЧ і приймача в цілому з таким розрахунком, щоб смуги захоплення і утримання мало відрізнялися одна від одної. Раніше наголошувалося, що смуга захоплення приблизно відповідає смузі пропускання приймача разом з частотним детектором. Розширення смуги захоплення пов'язано із загальним розширенням, смуги пропускання і, отже, з погіршенням селективності. Цього не відбудеться, якщо для АПЧ буде застосований окремий паралельний підсилювач з розширеною смугою пропускання або якщо смуга буде звужена до необхідного значення в подальших каскадах підсилювача проміжної частоти.

 

Амплитудный детектор

В большинстве простых AM приемников функции демодулятора выполняет обычный диодный детектор, создающий значительные нелинейные искажения, быстро растущие при увеличении глубины модуляции (m), и достигающие 10% при m = 0,5 и 25 % при m = 1). Поэтому говорить о сколь-нибудь приемлемом качестве звучания (особенно на пиках сигнала) просто несерьезно. Это кстати, одна из причин почему в AM передатчиках вынужденно ограничивают глубину модуляции.

 

Существенно более линейны активные детекторы: на эмиттером повторителе, на операционном усилителе, синхронные детекторы, однако они достаточно сложны и мало пригодны для доработки имеющихся радиовещательных приемников.

 

Ниже предлагается описание очень простого транзисторного детектора, позволяющего снизить вносимые при детектировании сигнала искажения в несколько раз.

 

 

Рис. 1.

Элементы С1, L1 и L2 (выходной контур усилителя промежуточной частоты приемника) и R2СЗ (нагрузка детектора) уже имеются в обычном диодном детекторе. И для реализации приведенной схемы необходимо (удалив старый диод) добавить всего три элемента VT1, R1, C2 - проще вроде бы некуда...

 

Как же работает эта схема? Функции детектора элемента выполняет транзистор VT1. По промежуточной частоте его база соединена с коллектором через конденсатор С2. Иными словами, по этой частоте описываемый детектор полностью эквивалентен диодному: промежуточная частота "видит" перед собой транзистор в диодном включении с замкнутым (по высокой частоте) переходом коллектор-база. Постоянная составляющая тока детектора обеспечивает работу транзистора VT1 в активном режиме на низкой частоте. То есть по НЧ это уже усилительный каскад (как это ни странно звучит).

 

Причем каскад охвачен 100% отрицательной обратной связью. Напряжение обратной связи снимается с коллектора транзистора VТ1 и через конденсатор С2 подается на его базу. Отрицательная обратная связь и обеспечивает значительное снижение искажений.

 

Как же физически происходит это снижение? Очевидно, что, для того, чтобы открыть переход база-эмиттер транзистора надо, чтобы мгновенное напряжение превысило бы порог 0,7 В (для кремниевых транзисторов).

 

Рассмотрим отдельно напряжения на эмиттере и базе VT1 как сумму Uпч, Uнч и постоянной составляющей. На эмиттере присутствует только Uпч, а на базе сумма Uнч и постоянной составляющей (по промежуточной частоте база заблокирована на корпус через C2 и C3).

 

Фокус состоит в том, что на отрицательным полупериодах НЧ сигнала (то есть при минимальном значении амплитуды промежуточной частоты) выходное НЧ напряжение (отрицательное), подаваясь на базу VT1 снижает порог открывания VT1.

 

В таком состоянии чтобы VT1 открылся на его эмиттере достаточно уже не 0,7 В, а в несколько раз меньше. Иными словами напряжение открывания диода база-эмиттер VT1 не стоит неподвижно на 0,7 В (как у простого диода), а адаптивно меняется в соответствии с низкочастотной огибающей.

 

К чему это приводит показано на рисунках 2 и 3, где приведены экспериментальные зависимости коэффициентов гармоник (Кг) выходного НЧ сигнала от глубины модуляции (m) для предлагаемого детектора (кривые 2) и обычного диодного детектора (кривые 1), полученного при исключении из схемы элементов R1С2 и соединении базы и коллектора транзистора VT1.

 

 

Зависимости, приведенные на рисунке 2,получены при использовании германиевого транзистора и амплитуде несущей на эмиттере VT1 равной 0,6 В, а на рисунке 3 — при использовании кремниевого транзистора и амплитуде несущей 1 В. Из приведенных графиков видно, что применение такого детектора позволяет снизить коэффициент гармоник более чем втрое, причем при глубине модуляции менее 0,5 коэффициент гармоник снижается впятеро и не превышает 2 %.

 

Предельная простота данного устройства позволяет использовать его для доработки готовых радиоприемных трактов. Для этого достаточно вместо детекторного диода установить элементы VT1, R1, С2.

 

Кг < 2% при максимальных m, используемых в радиовещании позволяет получить весьма высокое качество звучания.

 

 

ПРИНЦИП СИНХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

 

Синхронное детектирование основано на операции умножения сигналов.

 

Пусть на входы умножителя подаются два гармонических сигнала: так называемый опорный сигнал с постоянными частотой и амплитудой r(t) = R sin(w_Rt) и сигнал s(t) = S sin(wt+j). Тогда выходной сигнал умножителя будет иметь вид:

x(t) = r(t) s(t) = RS (cos((w-w_R)t+j) - cos((w+w_R)t+j)) /2

В результате умножения появляются гармонические составляющие на суммарной (w+w_R) и разностной (w-w_R) частотах.

В синхронном детекторе используется составляющая на разностной частоте. Ее выделяет фильтр низких частот, включенный на выходе умножителя. Фильтр пропускает сигналы с частотами ниже частоты среза фильтра w_C и подавляет более высокочастотные сигналы. Частота среза устанавливается намного меньшей, чем опорная частота w_R. Поэтому ненулевой отклик на выходе фильтра дадут лишь те сигналы, частоты которых близки к опорной частоте (отличаются от опорной частоты на величину, не превышающую частоту среза фильтра низких частот).

В случае, когда частота сигнала точно равна опорной частоте (сигналы на входах умножителя синхронны - отсюда название детектора), в результате умножения появится составляющая с нулевой разностной частотой, т.е. постоянная составляющая. На выход фильтра пройдет только эта постоянная составляющая. Для фильтра с коэффициентом передачи в полосе пропускания, равным единице, выходной сигнал будет равен:

y_S(t) = const = R S cos(j) /2.

Т.о. выход синхронного детектора пропорционален амплитуде входного сигнала и зависит от фазового сдвига относительно опорного сигнала.

Если изменить фазу опорного сигнала на p/2, т.е. взять его в виде r(t) = R cos (w_Rt), то в синхронном режиме выходной сигнал будет равен:

y_C(t) = const = R S sin(j) /2.

Сигналы y_S и y_C пропорциональны квадратурным составляющим Scos(j) и Ssin(j) измеряемого гармонического сигнала s(t) и позволяют определить его фазу и амплитуду раздельно:

S² = y_C² + y_S², tg(j) = y_C/y_S

Автоматическая подстройка частоты,

радиотехническое устройство для автоматического удержания заданной частоты электрических колебаний генератора. А. п. ч. применяют в передатчике для поддержания определенной частоты задающего генератора, в супергетеродинном радиоприёмнике для точной настройки на принимаемую станцию, в синтезаторе частот для умножения или деления частоты и др. В распространённой схеме А. п. ч. отклонение частоты от заданной (расстройка частоты) преобразуется дискриминатором в постоянное напряжение соответствующего знака (полярности), пропорциональное амплитуде расстройки (при отсутствии расстройки напряжение на выходе дискриминатора равно нулю). Это выходное напряжение затем подаётся на управитель (реактивного сопротивления лампа, реактивного сопротивления транзистор, варикап и др.), воздействующий на частоту генератора.