Исследование системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)

(лабораторная работа 2, макет с электронным интегратором)

 

Цель работы:

1) ознакомление с функциональными элементами системы ФАПЧ и принципом ее работы;

2) исследование точности в зависимости от структуры и параметров системы;

3) исследование возможностей изменения динамических свойств системы методом последовательной коррекции.

 

Описание лабораторной установки

 

Лабораторная установка состоит из макета системы ФАПЧ, генератора гармонических сигналов и осциллографа. Система ФАПЧ в простейшей комплектации содержит фазовый дискриминатор (преобразует разность фаз двух сигналов в управляющее напряжение), цепи коррекции и управляемый генератор (во времязадающей цепи этого генератора включен управляемый напряжением реактивный элемент). Если входной и выходной сигналы системы ФАПЧ расстроены по фазе (или частоте), то фазовый дискриминатор вырабатывает управляющее напряжение соответствующего знака, под действием которого изменяются параметры времязадающей цепи управляемого генератора и, соответственно, изменяется частота (и фаза) выходного сигнала так, чтобы уменьшить первоначальную расстройку. Без учета нелинейности статических характеристик функциональных элементов и инерционности фазового дискриминатора функцию передачи системы ФАПЧ в разомкнутом состоянии можно представить в виде:

где – функция передачи корректирующей цепи; – коэффициент усиления.

В САУ 1 порядка астатизма динамическая ошибка слежения зависит от скорости изменения воздействия (в нашем случае – фазы) и коэффициента усиления системы:

(1)

где – остаточная ошибка слежения за фазой в градусах (полезно фазу считать размерной величиной); – начальная расстройка частот генераторов [Гц].

Предусмотрены 3 варианта включения простейшей системы ФАПЧ (переключатель S1):

- без коррекции ( =1);

- с последовательной коррекцией вида: ;

- с последовательной коррекцией вида: ,

причем постоянные времени цепей коррекции T₁, T₂ и T₃ зависят от номиналов резисторов и емкостей, указанных на макете.

Частотные и фазовые соотношения сигналов управляемого и внешнего генераторов наблюдаются по фигурам Лиссажу на экране осциллографа. Для измерения ошибки слежения используется фазовращатель, включенный на выходе управляемого генератора. Предварительно устанавливают ручку «Расстройка» внешнего генераторав положение «0» и в разомкнутом состоянии системы ФАПЧ (положение 1 переключателя S1) выполняют ручную грубую подстройку частоты внешнего генератора по конечному результату (фигура Лиссажу – эллипс). Затем замыкают кольцо слежения и с помощью фазовращателя фигура Лиссажу преобразуется к удобной для наблюдения форме (линия или «восьмерка»). В дальнейшем частоту внешнего генератора изменяют ручкой «Расстройка». Плавное изменение частоты входного сигнала влияет на ошибку слежения, что приводит к деформации фигуры Лиссажу. Возвращая фигуру в прежнее положение с помощью фазовращателя, можно измерить (по шкале фазовращателя) величину остаточной ошибки .

Следует иметь в виду, что реальная зависимость из-за нелинейности статической (дискриминационной) характеристики фазового дискриминатора описывается нелинейной нечетной функцией. При этом экспериментально удается получить лишь фрагмент зависимости , на котором следует выявить линейный участок для расчета коэффициента .

Для качественной оценки быстродействия и степени колебательности переходных процессов в системе ФАПЧ в цепи входного сигнала предусмотрена фазосдвигающая цепь, включаемая тумблером «Скачок фазы».

В полной комплектации система ФАПЧ содержит, дополнительно, электронный интегратор: подключается «эквивалент двигателя».

 

 

Задание по работе

 

1. Включить генератор, макет и осциллограф.

2. Разомкнуть систему ФАПЧ (переключатель в положении 1).

3. Настроить осциллограф для наблюдения фигур Лиссажу.

4. Изменяя частоту генератора, обеспечить совпадение частот внешнего генератора и управляемого генератора системы ФАПЧ (эллипс на экране осциллографа). Замкнуть систему ФАПЧ (переключатель в положении 2). Измерить полосу удержания системы ФАПЧ.

5. Ручку «частота генератора» установить в среднее положение (см.п.4). С помощью фазовращателя зафиксировать положение эллипса, представив его в виде линии или «восьмерки». Изменяя частоту генератора (ручка «расстройка»), и измеряя приращение фазового сдвига с помощью фазовращателя, построить зависимость (должна получиться нечетная функция). Для построения графика требуется 3-5 точек при расстройке частоты в одну сторону и столько же точек – в другую.

6. Для линейного участка зависимости определить коэффициент усиления с помощью формулы (1). Это значение согласовать с преподавателем.

7. Используя полученное значение , построить построить асимптотические логарифмические характеристики для 3-х вариантов включения системы ФАПЧ первого порядка астатизма (все ЛХ построить на одном графике для удобства сравнения; параметры корректирующих элементов указаны на макете). По логарифмическим характеристикам оценить качество переходных процессов.

8. Качественно оценить переходные процессы в системе ФАПЧ (для этой цели используется тумблер «скачок фазы»).

9. Включить «эквивалент двигателя» и повторить пп.4-6 (при изменении частоты генератора учесть длительный перезаряд емкости электронного интегратора). Схему электронного интегратора зарисовать и вычислить его передаточную функцию (в общем виде).

 

Содержание отчета

 

1. Функциональная схема системы ФАПЧ, схемы корректирующих элементов с указанием номиналов резисторов и емкостей, схема электронного интегратора, функции передачи разомкнутой системы для всех исследуемых вариантов.

2. Таблица и график зависимости , расчет и постоянных времени корректирующих элементов.

3. Асимптотические ЛХ для 3-х вариантов построения системы ФАПЧ первого порядка астатизма.

4. Сравнительные характеристики переходных процессов и их объяснение.

5. Полосы удержания исследуемых систем ФАПЧ.

6. Структура формирующего фильтра для ситуации Δf=const.

 

3.4. Контрольные вопросы

 

1. Как работают функциональные элементы системы ФАПЧ и вся система в целом?

2. Какой параметр входного сигнала является информативным для системы ФАПЧ?

3. Какой вид имеет структура формирующего фильтра в случае Δf(t)=0, Δf(t)=const, Δf(t)=vt? Какой вид имеет структура согласованной САУ?

4. Как изменяются свойства системы ФАПЧ при увеличении (уменьшении) коэффициента усиления ?

5. С какой целью включаются корректирующие элементы в системе ФАПЧ первого порядка астатизма?

6. Как изменяются свойства системы ФАПЧ при электронного интегратора?