УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА С
ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ.
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией.
Известен частотный модулятор с контуром фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. патент ЕР 0403877А1, НОЗС 3/09, 1990). Модулятор отличается тем, что верхняя граничная частота фильтра нижних частот (ФНЧ) меньше нижней граничной частоты модулирз ющего сигнала. Между ФНЧ и управляемым генератором (УГ) предусмотрен суммирующий каскад, в котором производится сложение выходного сигнала ФНЧ с модулирующим сигналом. В таком устройстве можно получить на выходе сигнал с частотной модуляцией (ЧМ), однако диапазон модулирующих частот будет ограничен снизу из-за действия обратной связи в системе ФАПЧ. При этом быстродействие  ФАПЧ будет низким из-за существенного снижения граничной частоты ФНЧ.
Заслуживает также внимания устройство, реализующее широкополосную ЧМ генераторов, охваченных контуром ФАПЧ с узкой шириной полосы (см. патент США 4074209, НОЗС 3/22, 1978). В этом устройстве полоса модулирующих частот не ограничивается параметрами контура ФАПЧ, т.к. используется двухточечное введение модулирующего сигнала. Однако в данном устройстве наряду с невысокой стабильностью параметров выходного ЧМ колебания отсутствует возможность работы в диапазоне выходных частот, т.к. в случае частотного перекрытия неравномерность крутизны управляемого генератора приведет к непостоянству девиации частоты при постоянной величине модулирующего сигнала, а также к возникновению нелинейных искажений из-за не идентичности усиления по каналам модуляции при подаче модулирующего сигнала в две точки.
2001123900
:11111Ш1ШР1И1Ш1ШН
- Н 03 СЗ/09 Н 04 L27/10 частотной модуляцией (по а.с. СССР №1566458А НОЗ СЗ/09, Н04 L27/10,
1990), принятое за прототип. На фигЛ приведена укрупненная структурная схема этого устройства-прототипа, на которой обозначено: 1 - опорный генератор (ОГ), 2 - фазовый модулятор (ФМ), 3 - интегратор (И), 4 - источник модулирующего сигнала (ИМС), 5 - частотно-фазовый детектор (ЧФД), 6 - ФНЧ, 7 управляемый генератор (УГ), 8 - делитель частоты тракта приведения (ДТП). Устройство ФАПЧ содержит УГ 7 с ДТП 8, соединенным с входом ЧФД 5, ко второму входу которого через ФМ 2, подключен ОГ 1. Выход ЧФД 5 соединен с входом ФПЧ 6, выход которого соединен с управляющим входом УГ 7, замыкая контур ФАПЧ. Модулирующее напряжение от ИМС 4 подается на модуляционный вход УГ 7 и через И 3 на управляющий вход ФМ 2.
Устройство работает следующим образом.
Если модулирующий сигнал от ИМС 4 через И 3 подается только на вход ФМ 2, то модулированный по фазе выходной сигнал ФМ 2 и выходной сигнал цепи ФАПЧ после ДТП 8 преобразуется в ЧФД 5 в напряжение сигнала ошибки, которое через ФНЧ 6 подается на УГ 7. При этом ФНЧ 6 в системе ФАПЧ ослабляет сигнал ошибки и уменьшает чувствительность модуляции на высоких частотах. Использование модуляции непосредственно УГ 7 при подаче сигнала с ИМС 4 на его модуляционный вход характеризуется тем, что система ФАПЧ корректирует частоту выходного сигнала и, следовательно, противодействует модуляции. ФЕГЧ 6 в системе ФАПЧ ослабляет высокочастотные сигналы от ЧФД 5,корректирующее действие контура уменьшает чувствительность модуляции на нижних частотах. Следовательно, применение одноточечной ЧМ на основе ФАПЧ реализует чувствительность модуляции с полосой пропускания либо верхних, либо нижних частот в зависимости от точки приложения модуляции.
В случае подачи модулирующего сигнала одновременно в обе точки процесс модуляции представляется как способ противодействия одного явления другому. При этом реализуется чувствительность модуляции с суммарной характеристикой пропускания. Эта характеристика может быть пологой в
2
случае идентичности усиления по каналам подачи модулирующего сигнала. Однако, теоретически условие равновесия имеет силу только при одном значении крутизны перестройки УГ 7 по модуляционному входу и коэффициента передачи ФМ 2. При работе в диапазоне выходных частот система модуляции выходит из равновесия, и для поддержания постоянства соотношения усиления по каналам модуляции требуется принятие дополнительных мер, сопряженных с привлечением значительных аппаратурных затрат, которые на практике не всегда могут быть реализованы.
Недостатком устройства-прототипа является низкая стабильность пара
метров выходных частотно-модулированных колебаний. Для устранения указанных недостатков в устройство, содержащее последовательно соединённые фазовый модулятор, частотно-фазовый детектор, фильтр нижних частот, управляемый генератор и делитель частоты тракта приведения, выход которого соединён с опорным входом частотно-фазового детектора, а также последовательно соединённые источник модулирующего сигнала и интегратор, выход которого соединён со вторым входом фазового модулятора, причём выход управляемого генератора является выходом устройства, введены последовательно соединённые опорный синтезатор частот и опорный делитель, выход которого соединён с первым входом фазового модулятора, который содержит последовательно соединённые генератор пилообразного напряжения и компаратор, второй вход которого является вторым входом фазового модулятора, выходом которого является выход компаратора. При этом генератор пилообразного напряжения содержит последовательно соединённые формирователь импульсов разряда, разрядный ключ и эмиттерный повторитель, выход которого соединён со вторым входом блока сравнения, первый вход которого соединён с выходом источника опорного напряжения, выход блока сравнения соединён с входом управляемого источника тока заряда, выход которого соединён с выходом разрядного к;ж)ча и одним выводом зарядного конденсатора и является выходом генератора пи3г лообразного напряжения. Кроме того, другой вывод зарядного конденсатора и второй вывод разрядного ключа соединены с корпусом. На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого устройства, де обозначено: 1- опорный синтезатор частот; 2- фазовый модулятор; 3- интегратор; 4- источник модулирующего сигнала; 5- частотно-фазовый детектор; 6- фильтр нижних частот; 7- управляемый генератор (УГ); 8- делитель частоты тракта приведения; 9- опорный делитель; 10- формирователь импульсов разряда; 11- разрядный ключ; 12- управляемый источник тока заряда; 13- зарядный конденсатор; 14- эмиттерный повторитель; 15- блок сравнения; 16- источник опорного напряжения; 17-компаратор; 18 - генератор пилообразного напряжения. Предлагаемое устройство содержит последовательно соединённые опорный синтезатор частоты 1, опорный делитель 9, фазовый модулятор 2(состоящий из последовательно соединённых генератора пилообразного напряжения 18 и компаратора 17j частотно-фазовый детектор 5, фильтр нижних частот 6, управляемый генератор 7, выход которого является выходом устройства, и, кроме того, соединён с входом делителя частоты тракта приведения 8, выход которого соединён с опорным входом частотно-фазового детектора 5. При этом выход источника модулирующего сигнала 4 через интегратор 3 соеди4
нён со вторым входом компаратора 17. Причём генератор пилообразного напряжения 18 содержит последовательно соединённые формирователь импульсов разряда 10, разрядный ключ 11 и эмиттерный повторитель 14, выход которого соединён со вторым входом блока сравнения 15, первый вход которого соединён с выходом источника опорного напряжения, а выход блока сравнения 15, первый вход которого соединён с выходом источника опорного напряжения, а выход блока сравнения 15 соединён с входом управляемого источника тока заряда 12, выход которого соединён с одним из выводов зарядного конденсатора 13 и выходом разрядного ключа 11, и является выходом генератора пилообразного напряжения. Другой вывод разрядного конденсатора 13 и второй вывод разрядного ключа соединены с корпусом. Второй вход компаратора является вторым входом фазового модулятора 2, выход которого является выходом компаратора 17.
Устройство фазовой автоподстройки частоты генератора с частотной модуляцией работает следующим образом.
Включенные в кольцо управляемый генератор 7, делитель 8 тракта приведения, ЧФД 5 и фильтр 6 образуют цепь фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора 7. Цепь ФАПЧ осуществляет слежение за задающим воздействием со стороны опорного синтезатора частот 1, после прохождения его через опорный делитель 9 и фазовый модулятор 2 на синхронизирующий вход ЧФД 5. При этом выходная частота fsbix всего устройства определяется следующим соотношением
febix  Ктп  fc4/Non(1)
fc4 - частоты выходного сигнала синтезатор частот 1, NTH - постоянный коэффициент деления делителя тракта приведения, Non - постоянный коэффициент деления опорного делителя.
Таким образом, на выходе УГ 7 можно получить дискретное множество частот с шагом сетки частот AfBbix Afc4NTn/Non,(2)
г -//еъд
AfcH - шаг сетки частот на выходе опорного синтезатора частот 1.
Следует отметить, что частота сравнения на ЧФД 5 fcp fc4/Non меняется в диапазоне рабочих частот febix. В случае равенства коэффициентов деления  устанавливается соотношение fBbix fc4 с шагом AfBbix Afc4, а в случае неравенства  устанавливается некоторая трансформация этих значений в зависимости от величины Nxn/Non.
После установления синхронизма в кольце ФАПЧ осуществляется частотная модуляция УГ 7 подачей модулирующего сигнала UM (jQiw) от источника 4 модулирующего сигнала через интегратор 3 на управляющий вход фазового модулятор 2 , который в свою очередь является вторым входом компаратора 17. На первый вход компаратора 17 подается опорный сигнал с генератора 18 пилообразного напряжения с постоянной амплитудой А пилы в диапазоне частот сравнения fcp fc4/Non (в пределах 0,5 - 2,0 МГц). В генераторе 18 пилообразного напряжения осуществляется автоматическая стабилизация уровня выходного сигнала за счет контура регулирования величины тока заряда управляемого источника 12 при изменении периода частоты сравнения fcp. Частота модулирующего воздействия  лежит обычно в пределах 20-20000 Гц. Модулирующее воздействие представляется более медленным процессом, чем процесс формирования опорного пилообразного напряжения. Механизм работы фазового модулятора 2 по принципу управляемой линии задержки поясняется на фиг. 3 с помощью временных диаграмм.
На выходе компаратора 17 формируется напряжение прямоугольной формы, фронт которого модулируется по фазе (фиг. 3). При отсутствии модуляции (фиг. За) фронт занимает среднее временное (фазовое) положение, отмеченное пунктирными линиями на временном графике. Изменение сигнала модуляции UM(JQM) по амплитуде приводит к изменению фазового положения на - А(р(фиг. 36) и на + Аф (фиг. Зв) относительно среднего положения. Таким образом, фазовый модулятор 2 работает в режиме управляемой линии за6
держки, в которой величина задержки и ее полярность управляются в соответствии с сигналом UM (jftivi).
Можно показать, что девиация частоты на выходе устройства ФАПЧ генератора с ЧМ определяется соотношением
ВСПм)(1/27гТи)-Ктп-Кфм-им()ам)),(3)
Ф (Пм) - частотная характеристика замкнутой системы ФАПЧ, Кфм  2я/А-коэффициент передачи ФМ, UM - амплитуда модулирующего сигнала, А - амплитуда пилообразного напряжения, Ти - постоянная времени интегратора.
Из выражения (3) видно, что генератор 18 пилообразного напряжения в предлагаемом устройстве выполняет ключевую роль, обеспечивая постоянство амплитуды А (фиг.З) выходного сигнала и тем самы м обеспечивает постоянство девиации в рабочем диапазоне модулирующих частот при различных частотах на выходе УГ 7.
Результатом модуляции фазы импульсов на выходе фазовый модулятор 2 является изменение сигнала ошибки на выходе ЧФД 5, вызывающее отклонение частоты выходного сигнала УГ 7 в соответствии с законом модуляции. При этом сигнал модуляции представляет внешнее возмущение для системы ФАПЧ. Контур ФАПЧ обеспечивает устойчивость центральной частоты УГ 7 и не вырабатывает никакого сигнала противодействия, направленного на устранение модуляции. Следовательно, система ФАПЧ ведет себя как эквивалентный фильтр нижних частот относительно модулирующего воздействия, причем на некоторой частоте, меньшей частоты среза Пс  27cFc системы существует подъем или провал частотной модуляционной характеристики (см. фиг. 4). Практически неискаженная частотная модуляция имеет место на частотах ниже частоты среза Fc (например, 30-40 кГц), ограничиваясь снизу постоянной времени интегратора на частоте 1/271Ти (например, 10-15 Гц).
Следует отметить, что высокая стабильность параметров выходных
частотно-модулированных колебаний имеет место при значительном частотном перекрытии УГ 7. Присущая УГ 7 неравномерность крутизны характеристики управления приводит в системе ФАПЧ к незначительному изменению частоты среза системы fie за счет изменения усиления в контуре. В результате этого частотная характеристика mod Ф (Пм) претерпевает изменения только в районе частоты среза (см, фиг.4). Этот неиспользуемый участок лежит выше самой высшей частоты модулирзаош;его сигнала Пм max .
Таким образом, применение предлагаемого устройства фазовой автоподстройки частоты генератора с частотной модуляцией позволяет повысить стабильность параметров выходного ЧМ колебания с возможностью работы в диапазоне выходных частот при одновременно высоком быстродействии с широким диапазоном частот модулирующего сигнала в сочетании с упрощением аппаратурной реализации.
Существенным отличием предложенного устройства ФАПЧ генератора с ЧМ является значительное упрощение аппаратурной реализации этого устройства, т.к. в нем осуществляется не только слежение за задающим воздействием со стороны синтезатора, но и введение модулирующего напряжения только в одну точку контура. Частотная модуляция выходного колебания УГ осуществляется с помощью фазового модулятора. Так как функция отклонения частоты является производной от функции отклонения фазы, то сигнал модуляции предварительно пропускается через интегратор, в результате чего на выходе УГ сигнал приобретает частотную модуляцию по закону, определяемому формой модулирующего сигнала. Такая схемная реализация позволяет значительным образом устранить противоречия между такими важнейшими характеристиками устройства ФАПЧ, как спектральные, динамические и модуляционные. Патентообладатель ФГУП «Воронежский НИИ связи
c -av/5 2
8