Моделирование процессов в системе частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ): Методические указания к лабораторной работе по дисциплине ''Устройства приема и обработки сигналов''

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ЧАСТОТНОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ (ЧАПЧ) Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Устойства приема и обработки сигналов» для студентов дневной формы обучения специальности 200700 «Радиотехника»

Составители: Г.Ф. Афанасьев Е.Н. Воронцов

Ульяновск 2004

Рецензент канд.техн.наук, доцент кафедры ПиТЭС Д.В.Андреев Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета Моделирование процессов в системе частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ): методические указания к лабораторной работе по дисциплине Устойства приема и обработки сигналов» для студентов дневной формы обучения специальности 200700 «Радиотехника» / сост. Г.Ф.Афанасьев, Е.Н.Воронцов. – Ульяновск: УлГТУ, 2004. – 7 с. Методические указания разработаны в соответствии с программой курса «Устройства приема и обработки сигналов» и предназначены для студентов радиотехнического факультета, но могут использоваться и студентами других факультетов. Настоящие методические указания направлены на закрепление знаний по курсу «Устройства приема и обработки сигналов», читаемого на направлении 200700 «Радиотехника». Методические указания подготовлены на кафедре «Радиотехника».

© Афанасьев Г.Ф., Воронцов Е.Н., составление, 2004 © Оформление. УлГТУ, 2004

Моделирование процессов в системе частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ) Цель работы - ознакомление студентов с особенностями формирования характеристики системы автоматической подстройки частоты приёмника. Общие сведения о АПЧ Применение систем автоматической подстройки частоты (АПЧ) позволяет в процессе приема сигналов поддерживать требуемое постоянство промежуточной частоты на выходе преобразователя и тем самым компенсировать случайные колебания частот передатчика и гетеродина, обусловленные их нестабильностью. В самом общем виде принцип действия существующих систем АПЧ основан на автоматическом измерении отклонения частоты управляемого генератора от некоторого ее номинального (или эталонного) значения и подстройке этого генератора таким образом, чтобы указанное отклонение частоты не превышало некоторой заданной величины. Эффективность работы системы АПЧ или ее точность оценивается отношением величины начальной расстройки (ошибки) ∆f 0 управляемого генератора относительно эталонного значения частоты, измеренной при выключенной системе АПЧ, к остаточному значению этой расстройки ∆f ОСТ , обусловленному действием системы АПЧ. Это отношение принято называть коэффициентом автоподстройки: К АПЧ =

∆f 0 ∆f ОСТ

Значение коэффициента автоподстройки в статических системах АПЧ обычно колеблется в пределах 30—50. В некоторых специальных устройствах высокой точности путем усложнения схемы удается достигнуть величины его в несколько сотен. Любая система АПЧ помимо управляемого по частоте генератора должна содержать: эталон частоты; измерительный элемент, определяющий отклонение частоты генератора от эталонного ее значения, и управитель, обеспечивающий необходимое изменение частоты управляемого генератора. По принципу работы измерительного элемента системы АПЧ разделяют на два основных вида: системы частотной автоподстройки (ЧАП) и системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ). По принципу работы управителя различают системы АПЧ с электронной и электромеханической перестройкой частоты. В зависимости от режима подстройки частоты гетеродина системы АПЧ разделяют на поисковые и беспоисковые. В зависимости от характера работы измерительного элемента системы АПЧ разделяются на непрерывные и импульсные. Динамические свойства системы АПЧ, а также поведение ее в

установившемся статическом режиме определяются совокупностью свойств элементов цепи регулирования. 1. Измерительный элемент. В системах АПЧ, работающих по принципу стабилизации промежуточной частоты, в качестве измерительного элемента используются схемы частотных или фазовых детекторов. 2. Фильтр. Влияние высокочастотных составляющих выходного напряжения измерительного элемента на работу управителя, а соответственно и гетеродина, устраняется с помощью фильтров нижних частот, представляющих собой однозвенные или многозвенные цепочки RC (рис .29).

Рис .1

3. Усилитель постоянного тока. Вид переходного процесса в системе АПЧ, а также значение остаточной ошибки зависят от величины коэффициента усиления цепи регулирования. 4. Управитель. Подстройка частоты гетеродина осуществляется управляющим устройством цепи регулирования, или управителем. По принципу работы они могут быть разделены на электронные, электромеханические, термические. Всем разновидностям управляющих элементов присуща основная характеристика, определяющая их эффективность работы в системе АПЧ, — статическая характеристика управителя. Она представляет собой зависимость изменения частоты управляемого генератора от управляющего напряжения, т. е. ∆f Г = F (∆U У ) .

Рис. 2

Поскольку отклонения частот сигнала или гетеродина приводят к точно таким же по величине отклонениям промежуточной частоты, характеристики частотного детектора и управителя можно совместить в одной системе координат ∆U , ∆f , как это сделано на рис. 3. При точной настройке приемника, когда ∆f ПР = f ПР − f ПР 0 = 0 , характеристики частотного детектора и управителя будут пересекаться в начале выбранной системы координат. В случае отклонения промежуточной частоты от своего номинального значения характеристика управителя должна быть смещена на соответствующую величину расстройки ∆f ПР = ∆f 0 . На рис. 3 это соответствует второму ее положению. Точка пересечения a характеристик детектора и управителя,

являясь общей для них,

Рис. 3

соответствует равновесному состоянию системы в установившемся режиме. При указанном на рисунке взаимном положении этих характеристик SЧД > 0 , а SУ < 0 , что соответствует условию устойчивости. В целях оптимизации процесса анализа характеристики на ПК, они берутся кусочно-линейно аппроксимированными. 1. 2. 3. 4. 5.

Программа работы. Получить у преподавателя вариант задания для выполнения работы. Запустить на ПК программный модуль Grapher. Установить исследуемые характеристики частотного детектора и управителя соответственно полученному заданию. Запустить процесс формирования характеристики системы автоматической подстройки частоты и дождаться его окончания. Оценить полосу захвата и полосу удержания системы АПЧ

Порядок выполнения работы. 1.Получить у преподавателя вариант задания для выполнения работы. 2.Установить исследуемые характеристики частотного детектора и управителя соответственно полученному заданию. Установка осуществляется выбором одного из вариантов характеристики на панели управления, расположенной в правом нижнем углу окна программы (см. рис. 2). Номера характеристик, соответствующие выданному варианту представлены в таблице. Таблица 1

Вариант № хар-ки ЧД № хар-ки упр-ля Цена ячейки, кГц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 3 4 1 2 4 2 5 4 2 3 1 2 1 2 2 1 3 30 20 25 30 20 30 25 20 25

10 1 1 30

11 3 2 25

12 2 3 20

13 5 1 30

14 3 1 25

15 1 3 20

3.Установить скорость анализа, для чего зайти в меню Файл, выбрать в нем

пункт Настройки и перемещать горизонтальный ползунок указателем мышки в нужную сторону, как это показано на рисунке 4.

Рис. 4 4.Запустить анализ, нажав кнопку Start, расположенную на панели управления программы. См. рис. 5.

Рис.5 Программа Grapher

5.Оценить полосу захвата, и полосу удержания системы АПЧ, выбрав

размерность частотной шкалы соответственно варианту полученного задания (см. таб. 1). 6.Выйти из программы, нажав кнопку Exit на панели управления программы или выбрав пункт Выход в меню Файл. 7.Оформить результаты исследований в виде отчета. Отчет должен содержать исходные графики частотного детектора и управителя, а также результирующий график характеристики системы автоматической подстройки частоты и заключение. Контрольные вопросы. 1.Какие существуют разновидности АПЧ? 2.Что используется в качестве измерительного элемента в системе ЧАПЧ? 3.Что используется в качестве измерительного элемента в системе ФАПЧ? 4.Что такое БАПЧ? 5.Какой закон изменения частоты используется в ЧАПЧ? 6.Что такое полоса захвата АПЧ? 7.Что такое полоса удержания АПЧ? 8.В чем разница между полосами захвата и удержания АПЧ? 9.В каком случае характеристика АПЧ имеет петли гистерезиса? 10.Что такое коэффициент автоподстройки?