СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОЛОСЫ ЗАХВАТА СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ С ЗНАКОВЫМ ЛОГИЧЕСКИМ ФАЗОВЫМ ДИСКРИМИНАТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR INCREASING SWATH WIDTH OF PHASE-LOCKED LOOP WITH SIGN LOGIC PHASE DISCRIMINATOR AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области радио- и измерительной техники и может быть использовано для стабилизации параметров автогенераторов. Наибольшее применение оно может найти при создании высокоточных (прецизионных) систем фазовой синхронизации, имеющих не только малую ошибку синхронизации в установившемся состоянии, но одновременно и широкую полосу захвата.
Общая структура системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) содержит три базовых узла: управляемый (подстраиваемый) генератор (УГ), фильтр и фазовый детектор.
Для обеспечения высокой точности синхронизации применяются фазовые детекторы (дискриминаторы), обладающие высокой крутизной дискриминационной характеристики (ДХ). Наибольшую крутизну обеспечивает ДХ прямоугольной формы. Фазовые детекторы, имеющие ДХ такой формы, называют дискриминаторами релейного типа.
Большинство релейных дискриминаторов [1, 2] имеют "симметричные" ДХ, то есть на интервале [-π, 0] разность фаз Δφ оценивается как отрицательная, а на интервале [0, π] - как положительная. ДХ является периодичной с периодом повторения 2π.
К релейным дискриминаторам относятся также знаковые фазовые дискриминаторы. Знаковые фазовые дискриминаторы являются разновидностью цифровых фазовых детекторов релейного типа (без зоны нечувствительности), формирующие выходные сигналы двух уровней [1]. Дискриминационная характеристика знакового дискриминатора определяется выражением F{Δφ}=sign(sin[Δφ]), где sign(·) - знак величины (·). Величина F{Δφ} на отрезке одного периода принимает вид:
ЗФД
F
ЗФД
F
ЗФД
F
F
На выходе знакового фазового дискриминатора (ЗФД) формируется напряжение из U=UF(Δφ(t)}, которое может принимать два значения U=U или U=-U, где U - напряжение постоянного уровня.
ЗФД
ЗФД
При использовании ЗФД в кольце ФАПЧ напряжение U, изменяющееся в соответствии с изменением знака разности фаз Δφ прямоугольных импульсных колебаний, поступающих на его входы. Далее U подается на фильтрующее звено, а с него на вход управления УГ. Для исключения постоянной составляющей фазовой ошибки синхронизации колебаний фильтрующее звено выполняется астатическим, реализованным в виде параллельно соединенных пропорционального звена и интегратора [1, 3, 10].
F
В системе ФАПЧ с ЗФД для уменьшения уровня флуктуации разности фаз Δφ в установившемся состоянии величину U необходимо уменьшать, а это, в свою очередь, приводит к существенному уменьшению полосы захвата системы. Кроме того, в системе ФАПЧ, имеющей рассмотренную конструкцию, амплитуда выходного сигнала ЗФД не меняется как в случае, когда знак Δφ меняется часто, так и в случае, когда в процессе подстройки знак Δφ меняется редко.
В [3] предлагается путем использования узла, содержащего совокупность обнуляемых интеграторов с линейным характером изменения выходного напряжения, получать при частом изменении знака разности фаз напряжение малого уровня, а при редком изменении знака разности фаз напряжение более высокого уровня. Такой способ управления позволяет в системе ФАПЧ, по сравнению с обычной системой с ЗФД, при одинаковой установившейся фазовой ошибке увеличить полосу захвата. Для более существенного увеличения полосы захвата закон изменения напряжения на выходе обнуляемых интеграторов следует сделать нелинейным [7, 10].
z
a
оп
оп
a
В рассмотренных способах подстройки частоты ЗФД имеет ДХ, которая не учитывает форму (скважность) поступающих на его входы колебаний. Разновидностью знаковых фазовых дискриминаторов являются знаковые логические фазовые дискриминаторы (ЗЛФД) [4-6]. ЗЛФД определяют знак разности фаз импульсных колебаний, имеющих уровни цифровой логики. Выходной сигнал U данных дискриминаторов отражает знак фазового рассогласования переднего фронта (момента изменения уровня из логического нуля в логическую единицу) анализируемого колебания U относительно переднего фронта опорного колебания U. В соответствии с этим вход дискриминатора, на который подается колебание U, называется опорным. Другой вход дискриминатора, на который подается колебание U, создаваемое управляемым генератором, - входом анализируемого колебания.
оп
a
В качестве ЗЛФД можно также использовать D-триггер, на С-вход которого подается колебание U, а на D-вход - колебание U. Выходами такого дискриминатора являются прямой и инверсный выходы D-триггера.
a
2
1
2
1
1
2
Форма дискриминационной характеристики ЗЛФД не задается схемотехнической реализацией дискриминатора, а определяется формой импульсного прямоугольного колебания U, подаваемого на вход анализируемого колебания. Если анализируемое колебание имеет скважность, равную 2, форма дискриминационной характеристики ЗЛФД "симметрична", то есть на интервале [-π, 0] знак разности фаз Sign(Δφ)=-1, а на интервале [0, π] - Sign(Δφ)=1 (фиг. 1,а). Когда скважность анализируемого колебания имеет форму, отличную от двух, соответствующим образом трансформируется и форма дискриминационной характеристики ЗЛФД. Если подстраиваемое колебание имеет скважность 4/3, на интервале [-Νπ, 0] выходной сигнал дискриминатора равен -1, а на интервале [0, Νπ] равен 1 (фиг. 1,6). Причем Ν=1/2, N=3/2 (Ν+Ν=2).
оп
оп
a
a
При подаче на соответствующие входы ЗЛФД опорного колебания U с частотой f и анализируемого колебания U с частотой f при разомкнутом кольце подстройки ФАПЧ возможны следующие ситуации:
оп
a
1. Когда f=f, имеющееся значение разности фаз Δφ между опорным и анализируемым колебаниями остается неизменным в течение всего времени анализа.
оп
a
2. Если период опорного колебания больше периода анализируемого колебания. Это приводит к тому, что анализируемое импульсное колебание во времени t будет с постоянной скоростью смещаться влево относительно опорного колебания. Аналогично при f>f смешение анализируемого колебания будет происходить вправо (фиг. 2).
оп
a
оп
a
1
2
1
1
2
2
1
2
оп
a
1
2
оп
оп
В случае, когда f≠f (причем Δf=f-f=const), при симметричной форме ДХ (N=N) время τ, в течение которого разность фаз Δφ при взаимном смещении колебаний находится в пределах [0, Νπ], и время τ, в течение которого разность фаз находится в пределах [-Nπ, 0], оказываются примерно равными (τ≈τ). Указанный случай для f<f рассмотрен на фиг. 3,а. Здесь интервал времени τ, в течение которого Sign(Δφ)=1, больше интервала времени τ, в течение которого Sign(Δφ)=-1, на величину периода опорного колебания Т=1/f.
a
1
2
оп
оп
on
on
F
ф
Вследствие того, что точное обеспечение скважности колебания U, равной двум, выдержать достаточно сложно, результатом этого может быть то, что Δτ=τ-τ может приминать значение как равное Т, так и равное -Т. Причем Δτ=T и Δτ=-T могут чередоваться. Поскольку двуполярный сигнал с амплитудой U и знаком Sign(Δφ) в дальнейшем используется как входной сигнал фильтра системы ФАПЧ, на выходе фильтра напряжение U изменяться не будет.
ф
a
a
a
1
2
on
1
2
on
1
2
ф
a
оп
При замыкании кольца регулирования ФАПЧ воздействие на УГ напряжения U, формируемого на выходе фильтра, при Sign(Δφ)=-1 приводит к увеличению частоты f подстраиваемого колебания U, а при Sign(Δφ)=1 - к уменьшению частоты f. С учетом того, что для систем ФАПЧ, обеспечивающих малый уровень флуктуации Δφ в установившемся состоянии [3, 7], постоянная времени фильтра выбирается достаточно большой, в режиме биений увеличение τ и уменьшение τ будет незначительным, существенно меньшим, чем на величину периода опорного колебания T. Поскольку изменение τ и τ производится с шагом T, в системе сохраняется соотношение τ≈τ. Это приводит к тому, что изменения U при Sign(Δφ)=-1 в сторону увеличения и при Sign(Δφ)=1 в сторону уменьшения примерно одинаковы. То есть в среднем напряжение на выходе фильтра не изменяется, а это вызывает прекращение процесса подстройки. Такая ситуация возникает даже при достаточно небольшом отклонении f от f [7]. Как следствие, в системе ФАПЧ обеспечивается малая полоса захвата, что является существенным недостатком.
a
оп
a
a
1
2
1
2
a
2
a
1
оп
a
Можно изменить форму (скважность) колебания U и тем самым изменить форму ДХ ЗЛФД. Так при f<f, увеличивая длительность импульса колебания U по отношению к длительности паузы (фиг. 3,б), можно добиться того, что τ будет существенно больше τ. При подаче двуполярного сигнала, имеющего знак Sign(Δφ) (фиг. 3,б), на вход фильтра, напряжение на его выходе будет существенно отличаться от нуля и, как следствие, воздействие на УГ также будет существенным. Все это приводит к тому, что за счет τ>τ воздействие, вызывающее увеличение частоты f на интервале времени τ будет меньше воздействия, вызывающего уменьшение частоты f на интервале τ. Последнее приводит к уменьшению Δf, то есть обеспечивается режим захвата, чего не проявлялось при тех же соотношениях f и f (фиг. 3,а) при "симметричной" форме ДХ.
Если динамика вариации формы ДХ ЗЛФД низкая, ее влиянием на процессы подстройки в кольце ФАПЧ можно пренебречь, поскольку процессы подстройки ФАПЧ имеют большую динамику. Существенное влияние будет оказывать лишь форма ДХ.
оп
a
За счет трансформации формы ДХ в системе ФАПЧ будет происходить захват при больших (вплоть до значения полосы удержания) частотных расстройках. В процессе захвата происходит отработка частотного рассогласования опорного и подстраиваемого колебаний. Подстраиваемые частоты f и f уравняются. Система ФАПЧ входит в режим удержания фазы. Далее выполняется уравнивание фаз колебаний, то есть система переходит в режим синхронизма.
2
min
1
min
min
min
1
min
2
min
min
min
Если значение начальной частотной расстройки Δf как по знаку, так и величине неизвестно, то периодически медленно изменяя форму ДХ ЛФД в диапазоне от N=N, N=2-N ([-Nπ,0], [0, (2-N)π]) до Ν=Ν, N=2-N([-(2-N)π,0], [0, Nπ]), можно расширить полосу захвата как при положительной, так и отрицательной начальных частотных расстройках.
T
ФТ
комп
Сущность предлагаемого способа расширения полосы захвата системы ФАПЧ с ЗЛФД состоит в периодическом медленном изменении формы ДХ фазового дискриминатора за счет изменения формы подстраиваемого колебания. Изменение формы подстраиваемого колебания реализуется с использованием компаратора, на один из входов которого подается колебание треугольной U либо гармонической формы, создаваемое управляемым генератором, а на второй вход - медленно изменяющееся (пороговое) колебание U треугольной формы, которое изменяет скважность прямоугольного колебания на выходе компаратора U (фиг. 4).
гр
гр
Вследствие того, что скважность поступающего на вход ЛФД анализируемого колебания изменяется существенно медленнее, чем процессы подстройки, в системе ФАПЧ осуществляется захват, отработка частотной расстройки Δf до нулевого значения, а далее отработка фазовой расстройки Δφ→0. Как только разность фаз в системе ФАПЧ становится минимальной (не превышающей значения, допустимого для режима синхронизма [-Δφ, Δφ]) и значение порогового напряжения ί/ΦΤ, подаваемого на компаратор, находится вблизи нулевого значения, пороговое напряжение можно зафиксировать, приняв его равным нулю. В этом случае скважность подстраиваемого колебания становится равной 2 и форма ДХ ЗЛФД становится "симметричной". Дальнейшее функционирование системы ФАПЧ в режиме слежения производится при "симметричной" форме ДХ ЗЛФД.
оп
a
гр
гр
ФТ
Если под действием какого-либо мешающего воздействия резко изменяются частота опорного или подстраиваемого колебаний (f≠f), разность фаз Δφ между ними существенно увеличивается. Ее значение выходит за пределы интервала [-Δφ, Δφ], границы которого не превышаются в режиме синхронизма. В указанной ситуации необходимо запретить использование для компаратора порогового напряжения U=0 и разрешить использование в качестве порога медленно меняющегося треугольного напряжения. В результате вновь запускается процесс вариации скважности подстраиваемого колебания, то есть вновь запускается процесс захвата.
Рассмотренный способ расширения полосы захвата может быть использован в астатических системах ФАПЧ со знаковыми ЛФД [3, 7-10]. Недостатком таких систем является то, что при обеспечении высокой точности синхронизации она имеет полосу захвата, существенно меньшую полосы удержания [7, 8].
В качестве прототипа выбрана система ФАПЧ [10], которая при обеспечении минимальной установившейся фазовой ошибки имеет наибольшую полосу захвата, но не достигающую значения полосы удержания.
Система ФАПЧ, реализующая принцип синхронизации, базирующийся на рассмотренном способе, содержит знаковый ЛФД 1 (фиг. 5), управляемый генератор 2, сумматор напряжений 3, интегратор 4, пропорциональное звено 5, формирователь напряжения 6, первый 7 и второй 8 обнуляемые интеграторы, второй сумматор напряжений 9.
Входом устройства является первый вход знакового фазового дискриминатора 1, на который подается прямоугольное опорное колебание. Скважность опорного колебания может быть произвольной. Выход устройства соединен с вторым входом дискриминатора. Первый и второй выходы фазового дискриминатора 1 подключены к входам формирователя напряжения 6. Кроме того, первый выход дискриминатора соединен с входом сброса обнуляемого интегратора 7, а второй выход дискриминатора подключен к входу сброса обнуляемого интегратора 8. Первые информационные входы обнуляемых интеграторов 7 и 8 соединены с выходом формирователя напряжения 6. Выходы интеграторов 7 и 8 раздельно подключены к входам второго сумматора напряжений 9, выход которого соединен с вторыми информационными входами обнуляемых интеграторов 7 и 8 и объединенными входами пропорционального звена 5 и интегратора 4, выходы которых раздельно подключены к входам первого сумматора напряжений 3, выход которого соединен с входом управляемого генератора 2.
Использование в структуре системы ФАПЧ узла, содержащего обнуляемые интеграторы с двумя информационными входами, первые из которых подключены к выходу формирователя напряжения, а вторые соединены с выходом второго сумматора напряжений, позволяет при частой смене знака разности фаз (имеющей место при биениях и квазисинхронизме) формировать на выходе сумматора 9 напряжения малого уровня. Это приводит к незначительному воздействию через интегратор 4 и пропорциональное звено 5 на управляемый интегратор 2. В то же время, если изменение знака разности фаз происходит через более длительные интервалы времени (имеет место в режиме захвата фазы), за счет обратной связи с выхода сумматора 9 на вторые входы обнуляемых интеграторов 7 и 8, напряжение на выходе сумматора 9 интенсивно нарастает по экспоненциальному закону [7]. Воздействие на управляемый генератор 2 в этом случае становится более существенным, что обеспечивает интенсификацию процесса подстройки.
Для расширения полосы захвата в структуру ФАПЧ ведены формирователь прямоугольных колебаний 10, формирователь порогового напряжения 11, первый 12 и второй 13 детекторы зоны, элемент И-НЕ 14 и RS-триггер 15.
По сравнению с прототипом [10], в котором управляемый генератор формирует колебания прямоугольной формы, в предлагаемом устройстве управляемый генератор 2 вырабатывает колебания треугольной формы, а последующее преобразование из треугольной формы в прямоугольную обеспечивается с помощью формирователя 10, выполненного на основе компаратора напряжений. Выход формирователя 10 подключен к второму входу дискриминатора 1. Формирователь 10 имеет два входа, первый из которых (информационный) подключен к выходу управляемого генератора 2, а второй (пороговый) соединен с выходом формирователя медленно меняющегося треугольного порогового напряжения 11. Выход формирователя 11 также подключен к входу первого детектора зоны 12, который реализован на основе схемы двухпорогового компаратора. Такую же структуру имеет и второй детектор зоны 13, вход которого подключен к выходу второго сумматора напряжений 9. Выходы детекторов зоны 12 и 13 подключены к входам элемента И-НЕ 14, выход которого соединен S-входом RS-триггера 15. К R-входу RS-триггера подключен выход второго детектора зоны 13. Выход триггера 15 соединен с управляющим входом формирователя порогового напряжения 11.
ДЗ1
ДЗ1
ДЗ2
ДЗ2
Детекторы зоны 12 и 13 имеют одинаковую структуру (фиг. 6), но для каждого из них устанавливаются свои значения пороговых уровней -ΔU, +ΔU и -ΔU, +ΔU соответственно. На выходах детекторов зон формируются сигналы с уровнями цифровой логики.
оп
a
Поскольку процессы подстройки при положительной и отрицательной начальных частотных расстройках Δf имеют одинаковый характер, работу предлагаемого устройства иллюстрируем совокупностью эпюр напряжений (фиг. 7), показывающих процессы, протекающие в системе ФАПЧ, в случае, когда начальная частотная расстройка Δf подстраиваемого и опорного колебаний положительна (f<f).
T
ФТ
ПР
ОП
ОП
ПР
СУ
СУ
ДЗ2
ФТ
ДЗ
ДЗ
ДЗ1
ДЗ1
K
K
ДЗ1
ТГ
ТГ
ТГ
Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем. Напряжение U (показано на фиг. 7,а непрерывной линией), формируемое управляемым генератором 2 (фиг. 5), посредством компаратора формирователя 10 сравнивается с пороговым напряжением U (показано пунктирной линией на фиг. 7,а). В результате создается напряжение U (фиг. 7,б) прямоугольной формы с изменяющейся скважностью. На фиг. 7,в показано напряжение U опорного колебания. Напряжения U и U подаются на входы логического фазового дискриминатора 1 (фиг. 5), выходные напряжения которого  и  показаны соответственно на фиг. 7,г и 7,д. Под действием выходных сигналов дискриминатора на выходе второго сумматора напряжений 9 (фиг. 5) формируется напряжение U (фиг. 7,е). Второй детектор зоны 13 (фиг. 5) сравнивает напряжение U с порогами  (показаны на фиг. 7,е пунктирными линиями). Если , выходной сигнал U второго детектора зоны принимает значение уровня логической единицы (фиг. 7,ж). В противном случае его уровень соответствует уровню логического нуля. На фиг. 7,з показаны напряжения U (показано непрерывной линией) и +ΔU, -ΔU (выполнены пунктирными линиями), формируемые на выходе формирователя порогового напряжения 11 (фиг. 5) и используемые в качестве порогов первого детектора зоны 12 (фиг. 5). Когда  на выходе первого детектора зоны 12 (фиг. 5) вырабатывается напряжение U (фиг. 7,и), соответствующее уровню логической единицы. Если  напряжение U принимает значение, соответствующее уровню логического нуля. Посредством схемы И-НЕ 14 (фиг. 5) формируется напряжение U (фиг. 7,к). Напряжение U (фиг. 7,к) уровня логического нуля переводит RS-триггер 15 (фиг. 5) в состояние логической единицы, а напряжение U (фиг. 7,ж) уровня логического нуля переводит RS-триггер в состояние логического нуля. Выходное напряжение U RS-триггера представлено на фиг. 7,л. Когда U равняется логическому нулю, формирователь порогового напряжения 11 (фиг. 5) вырабатывает низкочастотное напряжение треугольной формы. При U="1" на выходе формирователя 11 напряжение становится равным нулю.
3
ПР
На интервале [0, t], когда скважность колебания U≈2, в системе ФАПЧ наблюдается режим биений либо процесс захвата только начинается, но процесс удержания разности фаз в пределах одного периода дискриминационной характеристики еще не наступил.
3
4
ПР
гр
гр
4
ПР
ТГ
ТГ
На интервале [t, t], когда скважность колебания U меньше двух, в системе наступает режим удержания фазы. Осуществляется выравнивание частот опорного и подстраиваемого колебаний и разность фаз между колебаниями уменьшается до значений, не выходящих из диапазона [-Δφ, Δφ]. В момент времени t напряжение , что приводит к обеспечению скважности колебания U, равной 2. В этот же момент времени сигнал U (фиг. 7,л), формируемый на выходе RS-триггера 15 (фиг. 5), устанавливается равным логической единице. Под его воздействием на выходе формирователя 11 (фиг. 5) устанавливается напряжение U=0. Далее в системе поддерживается режим сихронизации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Системы фазовой синхронизации с элементами дискритизации. 2-е изд., доп. и перераб. / В.В. Шахгильльдян, А.А. Ляховкин, В.Л. Корякин и др. Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1989. - 320 с.
2. Цифровые системы фазовой синхронизации / Под ред. М.И. Жодзишского. - М: Сов. Радио, 1980. - 208 с.
3. Одиноков В.Ф., Холопов С.И. Полоса захвата релейной системы ФАПЧ // Радиотехника. 1989. №5. С. 40-42.
4. А.с. 1248026 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков. №3669946/24-09. Заявлено 25.11.83. Опубл. 30.07.86 в БИ №28.
5. А.с. 1432724 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4212180/24-09. Заявлено 19.03.87. Опубл. 23.10.88 в БИ №39.
6. А.с. 1568207 СССР, МКИ H03D 13/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4374505. Заявлено 05.02.88. Опубл. 30.05.90 в БИ №20.
7. Холопов С.И. Расширение полосы захвата релейной астатической системы фазовой синхронизации // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2013. №3 (выпуск 45). С. 49-53.
8. Холопов С.И. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник РГРТУ. 2011. №4 (выпуск 38). - С. 50-54.
9. А.с. 1374427 СССР, МКИ H03L 7/00. Устройство фазовой автоподстройки частоты / В.Ф. Одиноков. №4107273/24-09. Заявлено 10.06.86. Опубл. 15.02.88. Бюл. №6.
10. А.с. 1415441 СССР, МКИ H03L 7/00. Устройство фазовой автоподстройки частоты / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов, М.В. Петров. №4162161/24-09. Заявлено 11.12.86. Опубл. 07.08.88. Бюл. №29.