Иногдй требуется синхронизировать частоту выходного сигнала генератора с частотой приходящего сигнала. Это делается каждый раз, когда мы синхронизируем развертку осциллографа, чтобы получить устойчивое изображение на экране. (ФАПЧ) автоматически синхронизирует частоту и фазу ГУ На с внешним сигналом. ФАПЧ применяется для демодуляции ЧМ-сигналов, а также для детектирования и восстановления сигналов, спрятанных в шуме. Как правило, ФАПЧ используется на приемном конце телевизионной системы дистанционного управления или оптоволоконного кабеля. В автомобильном радиоприемнике одна система ФАПЧ используется в синтезаторе частоты блока настройки, а другая для детектирования ЧМ-сигналов. Принцип действия системы ФАПЧ поясняет структурная схема, приведенная на рис. 12.17. Фазовый компаратор сравнивает частоту и фазу сигнала генератора (/вых) с частотой и фазой входного сигнала (fBx) и вырабатывает сигнал, пропорциональный разности фаз, который пропускается через фильтр нижних частот. Напряжение Fontrol с выхода фильтра изменяет частоту колебаний ГУНа до тех пор, пока разность частот и фаз не станет равной нулю; в этой точке сигнал ГУНа синхронизирован с входным сигналом.
Если первоначально частота/вых ниже частоты^, то на выходе фазового компаратора появляется положительное напряжение Fontrol, которое поднимает частоту f , пока она не сравняется с частотой /вх; и, наоборот, если
Рис. 12.17. Основная схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
начальное значение f ниже, чем f . Если у ГУНа зависимость частоты от
•> ВХ ‘ •> ВЫХ J
напряжения линейна, то напряжение Fcontrol прямо пропорционально /вх и может использоваться как выходное напряжение, являющееся результатом демодуляции входного ЧМ-сигнала. Так работают практически все радиоприемники ЧМ-сигнала.
Фазовый компаратор
после тригонометрического преобразования получим:
обеспечивая соответствующую зависимость управляющего напряжения для ГУНа от фазы.
Рис. 12.18. Фазовый компаратор.
Фазовый компаратор системы ФАПЧ заслуживает пристального внимания. Его основу составляет перемножитель. На рис. 12.18 показан перемножитель с двумя входами, на которые поданы сигналы
и
Их произведение равно:
Слагаемое cos (2cot + ф) представляет собой пульсации высокой частоты, которые удаляются фильтром нижних частот, оставляющим на выходе фазового компаратора
Обычно ФАПЧ работает с фазовым сдвигом ф = 90°, то есть cos ф = 0. В этой точке увеличение разности фаз ф приводит к отрицательному корректирующему напряжению ГУНа, а уменьшение ф вызывает появление положительного напряжения. ФАПЧ остается в состоянии синхронизации с входным сигналом в диапазоне ф = ±90°. При потере синхронизации генератор переходит в свободный режим работы, и входной сигнал должен приблизиться по частоте к частоте генератора в этом режиме (разность частот должна попадать в полосу пропускания фильтра нижних частот), прежде чем петля ФАПЧ вновь его захватит.
Большая постоянная времени фильтра нижних частот дает хорошее ослабление шума и высокую стабильность частоты выходного сигнала, но уменьшает полосу захвата и увеличивает время захвата. На практике перемножитель в системе ФАПЧ можно заменить схемой прерывателя, который просто модулирует входной сигнал прямоугольным сигналом от ГУНа. Все дополнительные высокочастотные компоненты, возникающие от прямоугольного сигнала, удаляются фильтром нижних частот.
Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5