Характерная особенность схемы ФАПЧ заключается в том, что тактовый сигнал частотой 61,440 кГц может быть засинхронизирован сетевой частотой 60 Гц (61,440=60x1024), что, как было указано в разд. 9,23, позволяет полностью подавить сетевые наводки на входе преобразователя.

Рассмотрим сначала стандартную схшу ФАПЧ (рис, 9.56), которая содержит дополнительный счетчик - делитель частоты на

Кдет и/рад) Л-ф(В/В] /Ггун(рад/(с.61)

Рис 9 56.

включенный между выходом ГУН и фазовым детектором. На схеме обозначены коэффициенты передачи каждого функционального элемента контура, что поможет нам при расчете устойчивости. Особо отметим, что фазовый детектор преобразует фазу в напряжение, а ГУН в свою очередь преобразует напряжение в производную фазы по времени, то есть в частоту. Таким образом, можно считать, что если рассматривать фазу как входную переменную, то ГУН действует как интегратор. Фиксированное входное напряжение рассогласования вызывает линейно нарастающее рассогласование по фазе на выходе ГУН. Фильтр нижних частот и делителя частоты на а имеют коэффициенты передачи меньше единицы.

Устойчивость и фазовые сдвиги. На рис. 9.57 приведены диаграммы Боде, позволяющие оценить устойчивость ФАПЧ второго

- Б дБ/октава

-бдБ/онтаеа

log/ ПН [щнщлщ)

12 дБ/оитав!

6 дБ/октава

Рис. 9.57,

,НЧ-фИльтр ( оперелсение-1)ТСТ99Ш* ]

Коэфсрициент передачи лонтур

порядка, ГУН работает как интегратор с псютоянной времени, равной 1 , и запаздыванием по фазе на 90° (то есть постоянная времени пропорциональна а кшденсэтор заряжается от источника тока). Для того чтобы создать запас по фазе (разность между 180° и фазовым сдвигом на частоте, при которой общий коэффициент передачи контура равен 1), в фильтре нижних частот последовательно с конденсатором включают резистор, предотвращая срыв устойчивости на некоторых частотах (вводят нуль передаточной функции). Объединение характеристик ГУН и фильтра дает диаграмму Боде для общего коэффициента передачи контура, приведенную на рисунке. До тех пор, пока наклон характеристики будет составлять 6 дБ/октава (в области единичного коэффициента передачи), контур будет устойчивым. Это достигается при использовании фильтра нижних частот по типу опережение - отставание и при правильном выборе его характеристик (так же, как и в цепях фазовой компенсации опережения - отставания операционных усилителей). В следукщем разделе мы покажем, как это делается.

Расчет коэффициента передачи. На рис. 9.58 приведена схема ФАПЧ для синтезатора частоты 61 440 Гц. Фазовый детектор и ГУН входят в состав ФАПЧ, выполненной на КМОП ИМС типа 4046.

15 -

Фазовый S детттор 5 (4046) йомп

и

13 4,ЗМ0лЛ

с, If,

330 hOM

/мин 20 кГЦ

/УЯ Выход (4045) rW ЗАПРЕТ

Sn----Г-О,

шп Счетный <1 J вход (такт)

200h0MUl0 0Mlgjjjjfj

61440 Гц. {7,5 изм/с t цифровым вольтметром \

Рис. 9.58. Применение умножителя ФАПЧ для формирования тактовых сигналов, синхронных с частотой сети переменного тока.

В данной схеме используется вариант фазового детектора, работающего по фронтам, хотя в ИМС 4046 имеются оба варианта. Выход схемы формируется парой КМОП-транзисторов, работающих в импульсном режиме и обеспечивающих импульсные сигналы с уровнями Ucc или О В, Фактически он представляет собой рассматривавшийся ранее выход с тремя состояниями, поскольку, за исключением моментов действия импульсов фазового рассогласования, он пребывает в состоянии с высоким выходным сопротивлением. Максимальная и

минимальная частоти ГУН, задаваемые уровнями управляющего напряжения О В и Ucc* определяются выбором резисторов Ri к и конденсатора Ci согласно паспортным данным. Из технических данных на элемент 4046 можно определить существенный недостаток схемы: высокую чувствительность к стабилшости напряжений питания. Выбор остальных элементов контура осуществляется оо стандартным для ФАПЧ процедурам.

, После выбора диапазона ГУН остается лишь разработать льтр нижних частот, который представляет собой весьма критичную часть системы. Начнем с расчета коэффициента передачи всего контура регулирования. В табл. 9.4 приведены расчетные формулы для от-

Расчет коэффициента передачи ФАПЧ

Таблица 9.4

дельных компонентов (согласно рис. 9.56). Расчеты следует производить тщательно, не путая частоту f и круговую частоту ш или герцы с килогерцами. До сих пор нами не определен только коэффициент /Сф. Его можно определить, записав выражение для общего коэффициента передачи контура, но прежде вспомним, что ГУН - это интегратор и запишем;

:-5(/ЛгУн.

Отсюда общий коэффициент усиления равен

обхц = детКф {КтУпИ^) К'дел =

= 1,59х

l+jcoRiC

l-f/ft)(i?3C2 + i?,Q

/№ 1024

Теперь выберем частоту, при которой коэффициент передачи становится равным единице. Идея заключается в том, что частота единичной передачи выбирается достаточно высокой, чтобы контур мог должным образом отслеживать изменения входной частоты, но и достаточно низкой, чтобы сглаживались помехи и скачки входного сигнала. Напри-

мер, система ФАПЧ, предназначенная для демодуляции входных ЧМ-сигналов или для декодирования последовательности высокоскоростных тональных сигналов, должна обладать высоким быстродействием (для ЧМ-сигналов полоса пропускания контура должна соответствовать входному сигналу, то есть равняться максималвшй частоте модуляции, а для тонального декодирования постоянная времени контура должна быть меньше, чем продолжительность тонального сигнала). С другой стороны, поскольку эта система предназначена для того, чтобы отслеживать определенные значения стабильной или медленно изменяющейся входной частоты, она должна иметь низкую частоту

единичной передачи. Это позволит снизить фазовый шум на выходе и обеспечить нечувствительность к помехам и выбросам на входе. Даже кратковременные пропадания входного сигнала будут едва заметны, так как конденсатор фильтра запомнит напряжение, которое заставит ГУН продолжать формирование необходимой выходной частоты. 0,5 2,о\ togf- С учетом сказанного выберем ча-н Гц стоту единичной передачи /з равной

Рнс. 9.59, 2 Гц, или 12,6 рад/с. Это значитель-

но ниже опорной частоты, и маловероятно, чтобы отклонения сетевой частоты смогли превысить это знач€И е-(вспомним, что электрическая энергия производится крупными генераторами с огромной механической инерцией). Точка излома характеристики фильтра нижних частот (ее нуль ) выбирается, как правило, на частоте, меньшей /з в 3-5 раз, что обеспечивает достаточный запас по фазе. Напомним, что фазовый сдвиг простой iC-цепи меняется от О до 90° в диапазоне частот от 0,1 до 10 относительно частоты -3 дБ ( полюсы ), при которой сдвиг равен 45°. Итак, выберем частоту нуля равной 0,5 Гц, или 3,1 рад/с (рис, 9.59). Точка излома ft определяет постоянную времени RC RiC2==V2nfi. Предварительно примем: С2=1 мкФ и /?4==330 кОм. Теперь осталось лишь выбрать величину сопротивления Ra из условия равенства единице коэффициента передачи на частоте /а. Проделав эту операцию, найдем, что /?з=5 =4,3 МОм.

Упражнение 9.3. Проверьте, что при выбранных компонентах фильтра коэффициент передачи на частоте /2=2,0 Гц действительно равен 1,0.

Иногда полученные значения параметров фильтра неудобны и их приходится пересчитывать или несколько смещать частоту единичного усиления. Эти величины приемлемы для ФАПЧ на элементах КМОП (типовое значение входного сопротивления ГУН составляет 10*5 Ом), а для ФАПЧ на биполярных транзисторах (типа 4044, например) может понадобиться согласование сопротивлений при помощи операционного усилителя.

Для упрощения конструкции фильтра в данном примере использовался фазовый детектор типа 2 с переключением по фронтам. Это решение на практике может оказаться не самым лучшим из-за высокого уровня сетевых наводок. При тщательном выборе схемы аналогового Ьхода (например, можно применить триггер Шмитта) может быть достигнута хорошая работа схемы. В противном случае рекомендуется использовать фазовый детектор типа 1 со схемой Исключающее ИЛИ,

Метод проб и ошибок. Есть люди, для которых мастерство разработки электронных схем заключается в том, чтобы изменять параметры фильтра до тех пор, пока схема не заработает. Если читатель принадлежит к их числу, то ему следует изменить свой подход к этому вопросу. Вероятно, из-за таких разработчиков системы ФАПЧ имеют плохую репутацию, и именно поэтому мы привели детальный расчет. Тем не менее попробуем помочь разработчикам, использующим метод проб и ошибок; RzC определяет время сглаживания контура, а отношение RjRs - демпфирование, то есть отсутствие перегрузки при скачкообразном изменении частоты. Рекомендуем начинать со значения /4=0,2 i?3.

Формирование тактовых импульсов для видеотерминалов* Высокочастотный генератор, синхронизированный с сетевой частотой 60 Гц, можно с успехом применять для генерации тактовых сигналов в буквенно-цифровом терминальном оборудовании ЭВМ. Стандартная скорость вывода информации на видеодисплеях составляет 30 кадров в 1 с. Так как почти всегда присутствует сетевая наводка, пусть даже и небольшой величины, изображение начинает испытывать медленную боковую качку . Это происходит в случае, если отсутствует точная синхронизация между частотой сети и вертикальным каналом дисплея. Хорошим способом решения этой проблемы является применение системы ФАПЧ. При этом следует использовать высокочастотный ГУН (с частотой порядка 15 МГц, кратной 60 Гц), а сигналы, полученные путем деления этой основной высокочастотной тактовой последовательности, должны использоваться для последовательного формирования точек каждого символа, длины строки и числа строк в кадре.

9.32. Захват и слежение в системе ФАПЧ

Очевидно, что система ФАПЧ будет оставаться в синхронизме до тех пор, пока входной сигнал не выйдет за пределы допустимого диапазона сигналов обратной связи. Интересный вопрос представляет собой первоначальное вхождение системы в синхронизм. Начальное рассогласование по частоте вызывает периодический сигнал разностной частоты на выходе фазового детектора. Пульсации будут уменьшаться после фильтрации, и появится постоянный сигнал рассогласования.

Процесс захвата* Ответ на вопрос не так уж и прост. Системы регулирования первого порядка всегда будут находиться в синхрониз-

Ншт заквата

Рис. 9.60,

Синхронная работа

ме, поскольку здесь отсутствует ослабление сигнала рассогласования на низкой частоте. Контуры второго порядка могут пребывать как в синхронизме, так и вне его, в зависимости от типа фазового детектора и полосы пропускания НЧ-фильтра. Кроме того, фазовый детектор

типа 1, выполненный по схеме Исключающее ИЛИ, имеет ограниченную полосу захвата, которая зависит от постоянной времени фильтра. Это обстоятельство можно использовать, если надо построить систему ФАПЧ, которая должна осуществлять синхронизацию только в определенном диапазоне частот.

Процесс захвата происходит следующим образом: когда сигнал фазового рассогласования вызывает сближение частоты ГУН с опорной частотой, форма сигнала рассогласования меняется более медленно и наоборот. Поскольку этот сигнал асимметричен, более медленные изменения происходят в тон части цикла, в которой приближается к /од. В результате ненулевое среднее постоянное напряжение вводит систему ФАПЧ в режим захвата. Входное напряжение ГУН во время процесса захвата изменяется, как показано на рис. 9.60. Обратите внимание на последний всплеск (перерегулирование) на диаграмме; причина его очень интересна. Даже если частота ГУН достигает требуемого значения (о чем свидетельствует уровень напряжения на входе ГУН), это еще не означает, что система обязательно вошла в захват, поскольку может оказаться, что отсутствует синфазность. Это может явиться причиной выброса кривой. Очевидно, что процесс захвата в каждом случае будет происходить по-разному.

Полоса захвата и слежения Если используется фазовый детектор типа 1, выполненный по схеме Исключающее ИЛИ, то полоса захвата ограничена постоянной времени НЧ-фильтра. В этом есть определенный смысл, так как при наличии большого начального расхождения по частоте сигнал рассогласования будет ослаблен фильтром настолько, что захват никогда не сможет произойти. Очевидно, что увеличение постоянной времени НЧ-фильтра сужает полосу захвата, что эквивалентно уменьшению коэффициента передачи контура. Оказывается, что подобные ограничения отсутствуют в фазовом детекторе, работающем по фронтам. Полоса слежения для обоих типов схем зависит от диапазона управляющих напряжений ГУН.

9.33. Некоторые примеры использования систем ФАПЧ

Мы уже упоминали об использовании ФАПЧ в синтезаторах частоты и умножителях частоты. Что касается последних, то целесообразность применения ФАПЧ, как это видно из рассмотренного примера,

настолько очевидна, что сомнений в применении ФАПЧ не должно быть. В простых умножителях (то есть генераторах тактовых импульсов высокой частоты для цифровых систем) отсутствуют даже проблемы, связанные с флуктуациями опорного сигнала, и вполне могут применяться системы первого порядка.

Рассмотрим некоторые применения ФАПЧ, интересные с точки зрения разнообразия областей использования.

Детектирование ЧМ-сигналов, При частотной модуляции информация кодируется посредством изменения частоты несущего сигнала пропорционально изменению информационного сигнала. Частотная и другие виды модуляции более подробно будут рассматриваться В гл. 13. Существуют два метода восстановления модулированной информации: при помощи фазовых детекторов или ФАПЧ. Под термином детектирование здесь подразумевается способ демодуляции,

В простейшем случае система ФАПЧ синхронизируется с поступающим

сигналом. Напряжение, которое подается на ГУН и управляет его частотой, пропорционально входной частоте и, следовательно, является требуемым демодулированным сигналом (рис. 9.61). В такой системе полоса пропускания фильтра должна быть выбрана достаточно широкой для прохождения модулированного сигнала. Другими словами, время реакции ФАПЧ должно быть малым по сравнению с диапазоном отклонений восстанавливаемого сигнала. Как будет показано в гл. 13, на систему ФАПЧ не следует подавать сигнал, который передается по каналу связи; здесь можно использовать промежуточную частоту , которая подущу - лучается в смесителе при-

--г/зыц емника при преобразовании

(НН) частоты. Этот метод ЧМ-детектирования во избежа- ние искажений на звуковых

частотах требует ГУН с высокой линейностью.

Второй метод ЧМ-детектирования используег только фазовый детектор, а не систему ФАПЧ. Принцип иллюстрируегся на рис. 9.62. Исходный входной сигнал и тот же сигнал, сдвинутый по фазе, подаются на фазовый детектор, на выходе которого появляется некоторое напряжение. Фазосдвигающая схема линейно изменяет фазовый сдвиг

Фазовый детентор

Фазосдвигаш щая цепь

Рис. 9.62.

В зависимости от частоты (обычно это делается при помощи резонансных LC-контуров). Таким образом, выходной сигнал демодулятора линейно зависит от частоты на выходе. Этот метод называется двойным балансным квадратурным ЧМ-детектированием . Он используется во многих ИМС для реализации тракта усилитель/детектор промежуточной частоты (например, типа СА3089).

Детектирование АМ-сигналов. Рассмотрим методы, обеспечивающие пропорциональность между выходным сигналом и мгновен-

-фильтр

Амплйтдна/ мвйулирозанная несущая

Демадуяиро -ванный сигнал

Рис. 9 63.

ЧМ - частотная модуляция; ПЧ - промежуточная частота; 34 - звуковая частота.

ным значением амплитуды высокочастотного сигнала. Обычно для этого используется выпрямление (рис. 9.63). На рис. 9.64 иллюстрируется оригинальный метод с применением ФАПЧ** ( гомодинный метод детектирования ). Система ФАПЧ формирует прямоугольные импульсы той же частоты, что и частота модулированной несущей. После умножения входного сигнала на выходной сигнал ФАПЧ получается как-бы двухполупериодное выпрямление, после чего остается лишь удалить остатки несущей частоты с помощью фильтра нижних частот, чтобы получить модулированную огибающую. Если используется фазовый детектор, выполненный по схеме Исключающее ИЛИ, то вы-

плял

Рис. 9 64.

Ходной сигнал получается сдвинутым по фазе на 90° относительно опорного сигнала. Поэтому между ФАПЧ и умножителем надо включить фазосдвигающую цепь со сдвигом фаз на 90°.

Синхронизация тактовых импульсов и восстановление сигналов, В системах передачи Щ1фровых сигналов информация в последовательной форме передается по каналу связи. Эта информация может быть по своей природе цифровой или представлять собой цифровой эквивалент аналоговой информации, как это имеет место при шмпульсно-кодовой модуляции (ИКМ, см. разд. 13.19). Аналогичная ситуация возникает при декодировании цифровой информации с магнитной ленты или диска. В обоих случаях возникают помехи или изменения частоты импульсов (например, из-за вытягивания ленты),

1> Сиыхронное детектирование.- Прим. ред

И требуется получить неискаженный тактовый сигнал той же частоты, что и частота поступающей информации. В данном применении рекомендуется использовать системы ФАПЧ, так как фильтр нижних частот, например, помог бы лишь устранить шумы и наводки, но не Смог бы отслеживать медленные изменения скорости ленты.

Другим примером синхронизации сигналов может служить схема, приведенная в разд. 8.30. В этой схеме выходной синусоидальный сигнал получают из точно сформированного цифровой схемой сигнала 60 Гц (фактически в диапазоне от 50 до 70 Гц). Прямоугольный сигнал преобразуется в синусоидальный при помощи 6-звенного фильтра нижних частот Баттерворта. Здесь заманчиво использовать ГУН в интегральном исполнении с синусоидальным выходным сигналом (например, типа 8038), работающий синфазно с точно сформированным прямоугольным сигналом частотой 60 Гц. Это позволит обеспечить постоянную амплитуду синусоидального сигнала, широкий диапазон изменения частоты, и, кроме того, на выходе умножителя частоты будут отсутствовать шумы.

псевдослучайные двоичные последовательности и генераторы шума

9.34. Цифровая генерация шума

Интересным примером сочетания цифровых и аналоговых методов является формирование псевдослучайных двоичных последовательностей (ПСДП). Оказывается, удивительно легко сформировать последовательность битов или слов, обладающую хорошими статистическими свойствами, т. е. последовательность, которая имеет такие же вероятностные и корреляционные характеристики, как и идеальный процесс бросания монеты. Поскольку эти последовательности вырабатываются стандартными детерминированными логическими элементами (регистрами сдвига), они фактически являются известными напереди периодически повторяющимися, однако любой отрезок такой последовательности выглядит как случайное чередование нулей и единиц. Достаточно нескольких кристаллов для того, чтобы сформировать последовательности, которые буквально целые века могут идти без повторения. Это делает их весьма привлекательными для генерации цифровых двоичных случайных сигналов, а также Аналоговых шумовых сигналов. Существует даже стандартный цифровой источник шума , выполненный в виде недорогой ИМС в мини-корпусе с двухрядным расположением выводов (National ММ5837), который используется в источнике звуковых эффектов 76477, упоминавшемся в предыдущей главе.

Аналоговый шум. Пропуская ПСДП через простой НЧ-фильтр, можно получить белый гауссов шум с ограниченной полосой, т. е. напряжение, имеющее плоский энергетический спектр в пределах некоторой частоты среза (более подробно о шумах см. гл. 7). С другой

стороны, путем взвешенного суммирования содержимого нескольких регистров сдвига можно произвести цифровую фильтрацию, дающую тот же результат. Этот способ позволяет обеспечить плоский спектр шума в пределах нескольких мегагерц. Как будет показано ниже, подобные источники аналогового шума, синтезированные цифровым путем, имеют целый ряд преимуществ перед чисто аналоговыми методами, использующими диоды или резисторы.

Другие случаи применения. Кроме очевидного использования в аналоговых и цифровых генераторах шума псевдослучайные двоичные последовательности применяются также в целом ряде других случаев, не связанных с формированием шумовых сигналов. Они могут использоваться для шифровки данных или сообщений, поскольку ключ для их дешифровки на приемной стороне строится с помощью идентичного генератора ПСДП. Эти последовательности также широко используются в кодах с обнаружением и исправлением ошибок, поскольку они позволяют формировать такие блоки данных, в которых правильные сообщения оказываются разделенными большим расстоянием Хем-минга (оно измеряется числом ошибочных битов). Благодаря хорошим автокорреляционным свойствам эти последовательности идеально подходят для помехозащищенных радарных систем, в которых ответный сигнал сравнивается с переданной строкой битов (точнее, взаимно коррелируется). Их также можно использовать в качестве компактных делителей по модулю л.

9.35. Последовательности, образованные при помощи регистра сдвига с офатной связью

Наиболее простым и распространенным генератором ПСДП является регистр сдвига с обратной связью (рис. 9.65). Регистр сдвига, имеющий длину т бит, тактируется с фиксированной частотой / . С помощью вентиля Исключающее ИЛИ на вход регистра подается последовательный сигнал, представляющий собой сумму по модулю 2 п-го и последнего (т-го) разрядов регистра. Такая схема проходит совокупность состояний, которая определяется комбинациями

битов в регистре после каждого тактового импульса и по-

т

-п ги-i ru

-Выхорая ПСДП

Рис. 9.65. Генератор псевдослучайной двоичной последов ател ь ности.

вторяется через каждые К тактовых импульсов, т. е, является циклической с периодом К.

Число возможных состояний ;?г-разрядного регистра со-

ставляет/С =2 , т. е. равно числу двоичных комбинаций изтбит.Однако состояние, когда в регистре содержатся все О, является для данной схемы тупиковым , поскольку Исключающее ИЛИ будет формировать на входе 0. Вследствие этого максимальная длина последовательности,