Переходные процессы в синтезаторах частот с кольцом ИФАПЧ с переменной инерционностью

А.В. Леньшин,

доктор технических наук, Военный авиационный инженерный университет

Н.М. Тихомиров,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, концерн «Созвездие»

А. А. Попов,

Военный авиационный инженерный университет

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИНТЕЗАТОРАХ ЧАСТОТ С КОЛЬЦОМ ИФАПЧ С ПЕРЕМЕННОЙ ИНЕРЦИОННОСТЬЮ

TRANSIENT PHENOMENA IN SYNTHESIZERS OF FREQUENCIES WITH THE RING OF PPL WITH VARIABLE INERTANCE

Рассмотрены вопросы обеспечения заданных динамических характеристик широкополосных синтезаторов частот (СЧ) с кольцом ИФАПЧ. Проанализированы переходные процессы и способы обеспечения высокого быстродействия СЧ путем использования коммутирующих фильтров нижних частот с переменными параметрами.

Questions of support of the given response characteristics of broad-band synthesizers of frequencies with a ring of pulsewise-phase self-tuning of frequency are considered. Transient phenomena and methods of support of high high-speed performance of synthesizers frequencies by usage of switchingfilters of the lowerfrequencies with variable parameters are analyzed.

Серьезной проблемой проектирования и расчета синтезаторов частот с кольцом импульсно-фазовой автоподстройки частоты (СЧ-ИФАПЧ) для подавления радиоэлектронных средств, использующих режим программной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), является обеспечение требуемого быстродействия [1, 2]. Одним из способов обеспечения высокого быстродействия СЧ-ИФАПЧ является увеличение ширины полосы пропускания кольца, которое приводит к ускорению переходной характеристики, однако при этом не подавляются в необходимой степени нежелательные шумовые составляющие в спектре выходного сигнала, вызванные импульсным характером регулирования в кольце [3, 4].

Следующий способ — это увеличение коэффициента передачи разомкнутого кольца ИФАПЧ. Предел этому увеличению накладывает возрастающая при этом колебательность переходного процесса (ПП). В начале ПП при большом рассогласовании регулирование в кольце осуществляется только исходя из условия обеспечения высокого быстродействия, а затем, когда рассогласование снижено до достаточно малой величины, процесс регулирования изменяется в соответствии с требованиями к приемлемому окончанию ПП и в целом к устойчивости кольца ИФАПЧ. Реализовано это может быть с помощью элемента со специальной статической характеристикой, при которой управляющее воздействие выражается в виде нелинейной функции ошибки регулирования. Для повышения быстродействия в синтезаторе частот используется кольцо ИФАПЧ с коммутацией структуры и параметров, то есть с переменной инерционностью [5, 6].

Поведение устройства во время ПП подтверждает возможность получения в системе рассмотренной структуры достаточно высокой динамической точности. Достигается это за счет обеспечения рационального изменения общего коэффициента усиления на всех этапах регулирования, когда осуществляется двойное управление — релейное при больших рассогласованиях и адаптивное при малых. При больших рассогласованиях кольцо ИФАПЧ ведет себя как оптимальная по быстродействию релейная система с малой инерционностью, замкнутая по частоте, с использованием автоматического фазирования, упреждения и быстрой установкой необходимых потенциалов на конденсаторах фильтра нижних частот (ФНЧ). В конце ПП при малых рассогласованиях кольцо

ИФАПЧ с повышенной инерционностью замкнуто по фазе и осуществляет дорегулиро-вание фазовой ошибки. Регулирование с переменной инерционностью позволяет с высокой степенью приблизить закон регулирования в кольце ИФАПЧ к оптимальному.

Синтезаторы СЧ-ИФАПЧ с частотно-фазовым детектором (ЧФД) с зарядовой накачкой (ЗН) характеризуются достаточной простотой схемной реализации и обеспечивают высокие эксплуатационные параметры выходного сигнала. В такой схеме синтезатора подстройка частоты управляемого генератора (ГУН) производится с точностью до фазы опорного генератора (система ИФАПЧ имеет астатизм по фазе), что расширяет область применения таких схем СЧ- ИФАПЧ в радиотехнической аппаратуре.

Одной из проблем, возникающих при разработке широкополосных СЧ-ИФАПЧ, является обеспечение адекватных динамических и спектральных характеристик во всем диапазоне синтезируемых колебаний [3]. Это достигается стабилизацией устойчивости кольца ИФАПЧ при изменении ее инерционности, что позволяет оптимизировать кольцо по заданному параметру качества. Функциональная схема кольца ИФАПЧ с переменной инерционностью представлена на рис. 1.

К основным функциональным элементам кольца ИФАПЧ, таким как делитель частоты опорного сигнала (ДФКД), управляемый дробный делитель (ДДПКД) частоты сигнала ГУН, ЧФД с ЗН, ФНЧ (для кольца ИФАПЧ третьего порядка ФНЧ с элементами — конденсаторами С1, С2 и резисторами Я1, Я2) и ГУН (моделируемый сумматором и уси-лительно-интегрирующими функциональными элементами ^гун и 2р/ 5, s — комплексная переменная), добавлены дополнительные элементы: микроконтроллер (МК), задающий интервал времени ускорения 1111 до момента переключения /к, определяемый передними фронтами сигналов «Синхронизм» и и (), изменяющий коэффициенты деления ДФКД и ДДПКД, блокирующий усилитель мощности (УМ) передатчика на время ПП; К1(/) и К2 (/) — переключаемые МК усилители тока с выхода пропорциональной и интегральной ЗН соответственно; переключаемый МК ФНЧ с ключами Кл.1 и Кл.2, замыкаемыми на время ускорения и подключающими резисторы с сопротивлениями Ях и Я4 параллельно резисторам с сопротивлениями Я2 и Я5 соответственно.

Напряжение и(/) в начале ПП представляет собой единичную функцию с уровнем амплитуды им, определяющим диапазон перестройки частоты ГУН выражением Д/гУН = /ГУНв - /ГУНн = 5ГУниМ, в котором /ГУНв — верхняя частота перестройки ГУН, а /ГУНн — нижняя частота перестройки ГУН.

Рис. 1. Функциональная схема системы ИФАПЧ с переменной инерционностью

На рис. 1 также приняты следующие обозначения: ФЕ

— токи накачки пропорциональной и интегральной ЗН соответственно, увеличенные, как правило, в режиме ускорения ПП. Следует отметить, что F

— нелинейная функция, характеризующая функционирование ЧФД с тремя устойчивыми состояниями ЗН.

Известно, что для получения закона отработки рассогласования, близкого к оптимальному, необходимо вырабатывать сигнал, пропорциональный квадрату рассогласования, то есть использовать так называемый параболический регулятор. Это можно осуществить, получив на выходе ФНЧ аналоговый сигнал, пропорциональный квадрату ширины выходных импульсов ЧФД с ЗН.

Если во время действия импульса амплитуда тока постоянная, то напряжение на конденсаторе, являясь интегралом от протекающего через него тока, будет изменяться по линейному закону. Если же амплитуда тока линейно возрастает, то напряжение на конденсаторе будет изменяться по квадратичному закону. При приближении выходной частоты сигнала ГУН к требуемой длительность импульсов на выходе ЧФД с ЗН практически приближается к нулю.

Наличие делителя в цепи обратной связи вносит дополнительную инерционность, необходимо сдвинуть в сторону опережения момент отключения релейного управления. Для этого в ДДПКД загружается значение, отличное от требуемого в установившемся режиме, но обеспечивающее необходимое упреждение. Также при релейном управлении используется автоматическое фазирование, осуществляющее постоянную подсинхронизацию ДФКД и ДДПКД. В результате переход ЧФД/ЗН обратно из насыщения в линейную область происходит после первого достижения требуемого значения выходной частоты ГУН.

Рассмотрим особенности ПП в системе ИФАПЧ с дробными делителями частоты при ускоренных способах перестройки по частоте. Для этого перейдём к нахождению минимального времени ПП в нелинейной системе ИФАПЧ третьего порядка со способами ускорения переходного процесса быстрой отработки рассогласования (БОР), с двумя зарядовыми накачками (ДЗН) и устранения режима скольжения (УРС), а также нахождение выигрышей по времени от их реализации.

На интервале времени от tR до ty — интервале перестройки tf по частоте и tIlj по фазе (ty/ — время ПП по частоте с точностью Д/£; tyj — время ПП по фазе с точностью ): /ср = 1 х 800 Гц, Т0 = 1,25 х 10-5 с, N = 27625, K1 (t ) = 1, K2 (t ) = 0, ключ Кл разомкнут. В момент переключения tR в составе сигнала U(t) создан дополнительный скачок напряжения, определяющий помеху размахом Д/П = 1000 Гц (факторы, определяющие уровень помехи, подробно обсуждаются в дальнейшем изложении).

На рис. 2: кривая 1 — еФНЧ (t) — напряжение на выходе ФНЧ; кривая 2 — log| (U (t)-ЄфНЧ (t ))SГун I — отклонение частоты сигнала ГУН от номинала в логарифмическом масштабе; кривая 3 UЧФД/ЗН (t) = 2Р (д Ф (t)) / ¿ЗН — сигнал, пропорциональный F (ДФ^)); кривая 4 — log |ФГУН (t) для Фк (t )= 0. Из графиков рисунка 2 видно, что весь период времени ПП можно разделить на два интервала: первый от 0 до ^ — захват (режим скольжения в системе ИФАПЧ) и второй tn от момента окончания скольжения

tЗ до момента полного окончания 1111 1У — режим импульсной автоподстройки, когда система ИФАПЧ является линейной системой третьего порядка. На втором интервале при достижении времени t = tК осуществляется изменение структуры и параметров ИФАПЧ, кольцо автоподстройки можно считать кусочно- линейной системой.

Рис. 2. Графики 1111 в системе ИФАПЧ с переменной инерционностью

в режиме ускорения

Ввиду сложности решения задачи определения времени установления частоты ty и фазы tУj, для системы ИФАЛЧ с режимом скольжения и переключением структуры и параметров, не приводя дополнительных математических выкладок и поясняющих рисунков, примем следующие допущения, связанные с функционированием системы ИФАЛЧ третьего порядка [3, 4]:

Допущение 1. На интервале времени режима скольжения от 0 до tЗ суммарная емкость (С1 + С2) конденсаторов ФНЧ С1 и С2 заряжается постоянным (средним) током ± г'ЗН / 2, и напряжение на конденсаторах С1 и С2 к моменту окончания скольжения t = t З становится равным

и_ =-

-X-

2 С + С2

Допущение 2. В момент окончания режима скольжения '3 на систему действует скачок напряжения

и

*1

ГДе имі =

^МЗН '11

С + с'11 К'С'- к

, Д — сопротивление резистора Д . Считаем

"1 1 2 -‘'-1 -“-2 1

напряжение на конденсаторах С1 и С2 равным нулю, а фазу выходного сигнала ГУН определяем как ФГУН (^) = 0.

'

ЗН

З

1^2

Допущение 3. Из рис. 2 (кривая 2) следует, что при «больших» отклонениях времени 11 (t >> tЗ; t >> tК ) от моментов возмущений при переключении в линейной

системе ИФАЛЧ, ИЛ для отклонений по частоте и фазе можно описывать уравнениями экспоненциальных асимптот

А/

где А/н — начальное отклонение по частоте; Ь/ и а — некоторые параметры, подле-

і

V"

жащие определению; b= 2nbf і(аоБ), аБ =

*ЗН ^ГУН

(С> + С2 )N

— базовая частота

частотной характеристики разомкнутой системы ИФАПЧ.

При осуществлении в системе переключения структуры и параметров будем считать, что

Б1 =

ІЗН^ГУН К

— базовая частота на интервале времени от старта

(С + С, N

ПП до момента переключения ' к структуры и параметров системы ИФАПЧ;

гЗНSГУН

— базовая частота на интервале времени t > tK

(С1 + С2 )#2

после момента переключения ^ структуры и параметров системы ИФА1Ч.

1ри этом N и Ы2 — коэффициенты деления ДДПКД для времени t < tК до переключения и для времени t > ^ после переключения структуры и параметров системы ИФА1Ч соответственно.

Если в системе ИФА1Ч не используется переключение параметров (кДо ) = 1, К 2 (о ) = 1, оБ = 0)Б1 = оБ2) то, используя допущения 1—3, продолжительность времени

ПП по частоте 'У ^ и по фазе 'У2ф можно определить из следующих выражений:

У2 /

2А/Г

ГУН

У2/ N2W2

tY2j =

2А/Г

ГУН

N 2 W2

- 2R1C2 + ln

2 R1C2 + ln

А/

N 2Б2 RiC2b

2 2 f

- a2W2

Aj

N2W2 R1C2b2j

a2W2

С использованием математической модели СЧ- ИФАПЧ с переключением структуры и параметров математическое моделирование динамических процессов в системе ИФАПЧ и анализ влияния изменения параметров ДДПКД, ЧФД с ЗН и ФНЧ на длительность ПП. Моделирование показало, что в СЧ- ИФАПЧ с коммутацией структуры и параметров характер ПП при смене выходных частот существенно улучшается, сокращается его длительность за счет изменения в определенные моменты времени структуры ФНЧ и параметров блока управляемой зарядовой накачки в течение ПП. В результате этого достигается стабилизация передаточной характеристики кольца ИФАПЧ, что позволяет оптимизировать систему по заданному качеству динамических и спектральных характеристик во всем диапазоне синтезируемых колебаний.

ЛИТЕРАТУРА

1

1

1. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Немчилов А.В., Чаплыгин А.А.

1ространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи / под ред. В.И. Борисова. — М.: РадиоСофт, 2008. — 362 с.

2. Леньшин А.В., Тихомиров Н.М. 1роблемы и перспективы разработки устройств формирования активных помех подавления РЛС с быстрой перестройкой частоты // Теория и техника радиосвязи. — 2010. — № 1. — С. 35—42.

3. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. — М.: Радио и связь, 2004. — 210 с.

4. Леньшин А. В., Тихомиров Н.М. Основные направления улучшения характеристик радиопередающих устройств станций активных помех РЛС с быстрой перестройкой рабочей частоты // Теория и техника специальной радиосвязи. — 2010. — №5.— С. 34—39.

5. 1атент РФ на изобретение № 2329596. Синтезатор частот с астатическим кольцом адаптивной частотно-фазовой автоподстройки / Тихомиров Н.М. / ФИ1С, бюл. № 20, 2008.

6. 1оложительное решение по заявке на изобретение (патент РФ) / Тихомиров Н.М., Леньшин А.В. / № 2010106933 от 24.02.2010 г.