Полоса захвата и удержания петли ФАПЧ

Полоса захвата и полоса удержания, отслеживания — это два ключевых параметра системы ФАПЧ, которые характеризуют её рабочий диапазон частот.

Область захвата

Область захвата определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН f_n, в котором система ФАПЧ в состоянии произвести захват частоты и войти в синхронизм с внешним входным сигналом. В зависимости от конструкции системы ФАПЧ, ширины полосы пропускания фильтра нижних частот и усиления петли обратной связи, область захвата находится как правило, в диапазоне между 0.5f_n и 1.7f_n. Иногда область захвата называют областью вхождения в синхронизм.

Полоса захвата частоты — полосы частот захвата слева или справа от опорной частоты, ко­торые, как правило, симметричны (т. е. область захвата в 2 раза шире полосы захвата частоты). Область захвата и полосы захвата показаны в форме частот­ной диаграммы на рис. 3. Самая низкая частота, на которой система ФАПЧ может произвести захват, называется нижним пределом захвата f_cl, а самая вы­сокая частота — верхним пределом захвата f_cu.

Рис. 3. Область захвата час­тоты системы ФАПЧ

Полоса удержания

Область удержания определяется как диапазон частот, сосредоточенный во­круг собственной частоты ГУН, в котором система ФАПЧ может поддерживать режим синхронизма с внешним опорным сигналом. При этом предполагается, что система ФАПЧ первоначально захватила и удерживает частоту входного сигнала. Область удержания также известна как область слежения. Область удержания — это диапазон частот, в котором после того, как произошел захват частоты, система ФАПЧ будет точно отслеживать частоту внешнего опорного сигнала. Полоса удержания (синхронизации) — диапазон частот в области удер­жания слева или справа от опорной частоты (т. е. область удержания в 2 раза шире полосы удержания). Связь между областью удержания и полосой удержа­ния показана в виде частотной диаграммы на рис. 4.

Рис. 4. Область отслежива­ния частоты системы ФАПЧ

 

Области захвата и удержания прямо пропорциональны коэффициенту усиле­ния по постоянному току петли обратной связи системы ФАПЧ. Область захва­та никогда не бывает больше и почти всегда меньше, чемобласть удержания.

Взаимосвязь между областями захвата и удержания и полосами захвата и удержания частоты показана в форме частотной диаграммы на рис. 5. Обратите внимание, что области удержания больше или равна области захвата, а полоса удержания больше или равна полосе захвата частоты.

Рис. 5. Области захвата и удержания частоты системы ФАПЧ

 

Генераторы, управляемые напряжением

Генератор, управляемый напряже­нием ГУН, — это генератор с устойчивой частотой колебаний, определяемой внешним напряжением смещения. На выходе ГУН получают частоту, а на его вход поступает напряжение смеще­ния или управляющий сигнал, кото­рый может быть постоянным или переменным напряжением. Когда к входу ГУН приложено постоянное или медленно меняющееся напряже­ние, его выходная частота пропор­ционально изменяется.

Рис. 6. Зависимость частоты ГУН от управля­ющего напряжения смещения

 

На рис. 6 показана передаточная характеристика (зависимость выходной частоты от входного напряжения смещения) для типичного ГУН. Выходная частота f₀ при нулевом смещении – это собственная частота ГУН f_n, определяемая внешней RC-цепью, а изменения выходной частоты, вызванные изменениями входного напряжения, называются девиацией частоты . Следовательно:

,

где f₀ – выходная частоты ГУН.

Для симметричной девиации собственная частота ГУН должна быть расположена в центре линейной части передаточной характеристики. Передаточная функция ГУН определяется выражением:

где К₀ - передаточная функция, Гц/В; — изменение входного управляющего напряжения, В; — изменение выходной частоты, Гц.

Фазовые компараторы

Фазовый компаратор, иногда называемый фазовым детектором, представляет собой нелинейное устройство с двумя входными сигналами: внешней опорной частотой f_i и выходным сигналом ГУН f ₀- Выходной сигнал фазового компа­ратора представляет собой произведение двух сигналов с частотами fi и f ₀, и поэтому содержит частоты их сумм и разностей (f _i± f ₀).

На рис. 7 представлена зависимость выходного напряжения от разности фаз сигналов при одинаковой их частоте.

Рис. 7. График зависимости выходного напряжения фазового компаратора от сдвига фаз

 

Цифровая ФАПЧ

Цифровые системы ФАПЧ используются для синхронизации цифровых импуль­сов, например, в схемах восстановления тактовой частоты. Задача цифровых систем ФАПЧ, в отличие от аналоговых, состоит в восстановлении только вре­менных соотношении сигналов, без учета информации об их величине. Для циф­ровых систем ФАПЧ представляют интерес только временные параметры внеш­него сигнала.

Цифровые системы ФАПЧ очень похожи на аналоговые системы ФАПЧ, но в них ГУН заменен цифровым источником импульсов, частотой которых мож­но управлять, а фазовый компаратор заменен двоичным счетчиком импульсов. Функция этого счетчика — управление тактовой частотой.

В цифровой системе ФАПЧ счетчик может запускаться как внешним вход­ным сигналом, так и внутренним синхроимпульсом. Счетчик прибавляет одну единицу с каждым тактовым импульсом и отнимает одну единицу с каждым внешним входным импульсом. Когда скорость поступления (т. е. частота) внешних и внутренних импульсов одинакова, выход счетчика остается неизменным, и частота следования импульсов стабилизируется по входной частоте. Если вну­тренние импульсы генерируются с более высокой скоростью, чем внешний опорный сигнал, то содержимое счетчика увеличивается, уменьшая их частоту аналогично, когда внутренние импульсы генерируются с более низкой скорость. чем внешний входной сигнал, счетчик уменьшает свое значение, заставляя увеличить частоту внутренних синхроимпульсов.

В цифровых системах ФАПЧ диапазон, в котором система может отслеживать внешний входной сигнал, определяется разрядностью счетчика. Типичные счетчики содержат 16 бит, которые обеспечивают 65536 уникальных комбинаций (от 0 до 65535). Счетчик в системе ФАПЧ изначально устанавливливается на половину заполненным», то есть равным 32768. Это позволяет счетчику увеличивать иди уменьшать его содержимое в одинаковой степени, обеспечивая равные диапазоны отслеживания в обоих направлениях.