Методические указания к практическому занятию № 6 по теме

Методические указания к практическому занятию № 6
по теме «Генераторное оборудование МСП с ЧРК»
Цель занятия:
1. Изучить способов построение генераторов МСП и их сравнительные
характеристики, достоинства и недостатки.
2.Проанализировать назначение элементов стуктурной схемы и прин-цип их
работы.
Вопросы семинара:
1. Прямой синтез частоты задающего генератора с помощью арифметических операции.
- операция умножение и деление;
- операция сложения и вычитания);
- состав и назначение блоков структурной схемы;
- принцип работы схемы;
-усложненная схема схема фильтрации;
-достоинства и недостатки, практическое применение схемы.
2. Пример структурной схемы генераторного оборудования:
Каждый студент решает свой вариант задачи с указанием схемы прямого синтеза.
3. Непрямой метод синтеза частот задающего генератора.
- состав и назначение блоков структурной схемы;
- принцип работы схемы;
- достоинство и недостатки непрямого метода синтеза.
4. Комбинированный метод построения генератора.
- состав и назначение блоков структурной схемы;
- принцип работы части прямого синтеза схемы;
- принцип работы части непрямого синтеза схемы;
- элементы узкополосного фильтра и его работа;
- принципы фазовой автоподстройки частоты генераторов G1, G2, G3.
5. Фиксированное выступление «Способы построения умножителей частоты).
(срсп 6.1)
- построение умножителей частоты с помощью генератора гармоник и полосовой
фильтрации;
- построение умножителей частоты с помощью захвата частоты вспомогательного
генератора;
- построение умножителей частоты с помощью устройства ФАПЧ, а также их
комбинации.
6. Фиксированное выступление «Способы построения делителей частоты». (срсп
6.2)
- Делители частоты регенеративного типа;
- Делители частоты цифровые счетчикового типа;
- Делители частоты на основе ФАПЧ;
Методические указания.
Изучить, накануне практического занятия
теоретические вопросы по
рекомендованной литературе и учебному материалу. При изучении необходимо уяснить
способы построения генераторов согласно выше приведенному плану и
законспектировать краткие ответы. Для качественного обсуждения необходимо по
каждому вопросу готовились 2-3 студента и дополняли друг друга. Вторая часть
вопросов выполняется в виде самостоятельной работы под руководством
преподавателя, студентами отрабатывается самостоятельно по указанной литературе и
подготовленные студенты выступает самостоятельно и отвечают на вопросы других
студентов. В обсуждении участвуют другие студенты. В учебных материалах приведены
краткие ответы на все вопросы семинара. Конечой целью семинара является усвоения
всех вопросов вынесенных на семинарское занятие вне зависимости от уровня
подготовленности отдельных студентов.
Учебные материалы.
Структурные схемы генераторного оборудования
1. Первая основана на применении прямого синтеза частоты, когда любая
требуемая частота получается в результате простейших арифметических операций
(умножения, деления, сложения и вычитания) над колебаниями стабильной частоты
задающего генератора и узкополосной фильтрации.
Операции умножения и деления выполняются с помощью специальных блоков
— умножителей и делителей частоты, а операции сложения и вычитания — с помощью
преобразователей частоты.
Пример получения одной из частот fj методом прямого синтеза частоты fзг
приведен на рис. 5.4, а, где блок 1-ЗГ; 2и5 - умножители
частоты с
коэффициентами умножения nj и kj; блоки 3 и 4 — делители частоты с коэффициентами деления pj и lj; блок 6 — преобразователь частоты; блок 7 — узкополосный фильтр. На выходе фильтра получаем колебание с частотой fj, определяемой из выражения
7.2
где nj, kj, pj, lj -целые числа.
Как правило, полосовые фильтры приходится ставить также на выходах
умножителей и делителей частоты.
Иногда случается, что избирательность этих фильтров недостаточна и на выходе
фильтра, кроме заданной частоты, например f jmj, появляются другие составляющие.
В этом случае приходится применять усложненную схему фильтрации,
используя метод «двойного преобразования частоты» (или метод «вычитания ошибок»),
как показано на рис. 7.3, б. Здесь используются два преобразователя частоты 1, 3 и
полосовой фильтр 2, который настроен на более низкую частоту fk=│mifзг-f0│ и поэтому
является более узкополосным.
Нестабильность источника частоты f0 не сказывается на выходной частоте
m j f зг , так как она вычитается при повторном преобразовании в блоке 3.
Рис. 7.3
2. Пример структурной схемы генераторного оборудования
При получении большого числа разных частот fj для упрощения структуры ГО
объединяют ветви с одинаковыми частотами. Например, если от ЗГ с частотой fзг = 36
кГц требуется получить частоты f1= 20 кГц и,f2= 30 кГц, то, учитывая, что 20 = 36 : 9 • 5;
30 = 36 : 6, = 5, целесообразно строить ГО по схеме на рис. 7.5.
Рис.7.4
3. Непрямой метод синтеза частот подразумевает использование не одного; а
нескольких автономных
ЗГ, которые синхронизируются по основному генератору с
помощью устройств частотной (ЧАП) и фазовой (ФАПЧ) автоподстройки частоты.
Для варианта с ФАПЧ (см.рис. 7.5) синхронизация генераторов 1 и 5
осуществляется с помощью делителей частоты 2, 6 и петли автоподстройки, которая
содержит фазовый детектор (ФД) 3 и усилитель сигнала ошибки 4.
В установившемся режиме частоты сигналов, поступающих на оба входа ФД 3 с ∆
делителей частоты, равны и напряжение на выходе ФД 3 равно нулю.
Тогда имеем
=
откуда
т.е. получаем такой же результат, как и при прямом синтезе (7.2). При уходе частоты
генератора 5 на величину ∆fj на выходе ФД 3 возникает сигнал ошибки с разностной
частотой который после усиления в блоке 4 поступает на управляющий элемент,
включенный в схему генератора 5. В качестве такого элемента обычно используют
варикап, который при изменении приложенного к нему напряжения смещения меняет
свою емкость. При включении варикапа в колебательный контур генератора 5 можно
таким образом изменять его частоту, подстраивая ее до номинального значения (7.3).
Рис.7.5
Достоинство непрямого метода синтеза частоты — возможность исключения
умножителей частоты, которые являются сложными устройствами, требующими
применения к тому же высокоизбирательных фильтров.
К недостаткам непрямого метода синтеза можно отнести сложность построения
генератора 5, управляемого напряжением (ГУН), а также необходимость соблюдения
ряда дополнительных требований, связанных с проблемой первоначальной
синхронизации генераторов 7 и 5.
Комбинированный метод построения, объединяющий прямой и непрямой
методы синтеза частот, как показано, например, на рис. 7.7.
Здесь блоки делителей частоты 2, 12 и умножителей 3, 13 обеспечивают
получение частот от задающего генератора 1, как при прямом методе синтеза частот.
Однако вследствие того, что спектр сигнала на выходе умножителей содержит
не только полезные частоты f 1 и f 2, но и другие компоненты, которые трудно
отфильтровать пассивными электрическими фильтрами, в схему ГО введены
дополнительные блоки 4-7 и 14-17.
Они обеспечивают непрямой синтез частот f 1 и f 2, получаемых от ГУН 4 и 14 с
помощью типовой схемы фазовой автоподстройки частоты. Каждый из генераторов 4, 14
синхронизируется только одним компонентом выходного сигнала умножителя, частота
которого близка к собственной частоте генерации.
Таким образом, в данном случае схема ФАПЧ выполняет роль узкополосного
фильтра. Фильтрация осуществляется за счет узкополосных ФНЧ 6 и 16, которые вы-
деляют сигналы разностной частоты, образованной при воз-действии на фазовый
детектор 5 (или 15) колебаний близких частот с выхода умножителя и с выхода
соответствующего автогенератора.
Для получения требуемой частоты
при прямом синтезе частот применялся бы преобразователь (смеситель)
частоты и узкополосный фильтр. В схеме, приведенной на рис. 7.7, роль узкополосного
фильтра выполняет совокупность блоков 9—11, 18 и 19, которые обеспечивают непрямой синтез частоты f3.
В такой схеме автогенератор 9 генерирует синусоидальное колебание с
частотой, близкой к требуемой
. Это колебание поступает на преобразовате-ль
частоты 8, на выходе которого после полосового фильтра 10 выделяется сигнал
разностной частоты
, Она близка к частоте, генерируемой автогенератором 14.
Рис. 7.7
Точное совпадение частот обеспечивается за счет схемы автоподстройки,
содержащей фазовый детектор 18, узкополосный ФНЧ 19 и усилитель сигнала ошибки
11. Напряжение с выхода этого усилителя поступает на ГУН 9 и изменяет его частоту
до требуемого значения, соответственно увеличивается коэффициент передачи в цепи
ОС и уменьшается коэффициент усиления БУ 2. Напряжение
Uупр регулируется в
зависимости от амплитуды напряжения на выходе БУ. Для этого используется цепь
управления, содержащая выпрямитель 3, фильтр нижних частот 4, схему сравнения 5 и
усилитель сигнала ошибки 6. Такая схема стабилизации по принципу действия
напоминает систему АРУ по КЧ и обеспечивает постоянство выходного напряжения при
действии различных дестабилизирующих факторов как в ЗГ, так и в БУ.
3. Умножители частоты
Генератором гармоник (ГГ) называется устройство, искажающее форму и
спектр входного синусоидального сигнала таким образом, чтобы в спектре
выходного сигнала появились новые гармоники. «Хорошим» ГГ считают такое
устройство, которое при подаче на вход сигнала частотой
образует на выходе много
гармоник исходной составляющей, причем мощности этих гармоник примерно равны и
достаточны для надежного выделения их с помощью полосовых фильтров (рис. 8.8).
Простейшим ГГ является усилитель-ограничитель, сигналы на входе и выходе
которого показаны на рис. 8.10, а, б. Часто используют ГГ, в котором в качестве
нелинейного элемента применяется нелинейная индуктивность (рис. 8.11). Для нее
характеристика намагничивания, т.е. зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Я, имеет вид, показанный на рис. 8.27, а. Изменение
индуктивности L от протекающего тока
показано на рис. 8.27, б. В схеме ГГ (рис.
7.26) выбирают
, поэтому ток через катушку
имеет практически
синусоидальную форму. Когда значение
находится в пределах от
до
(рис.
8.27, б и рис. 8..28, а), выполняется условие
и ток идет через конденсатор С,
заряжая его. По мере заряда увеличивается
, и при
(или при
индуктивность катушки резко падает,
Рис. 8.8
Рис. 8.9
Рис. 8.10
Рис. 8.11
теперь.
, и конденсатор С начинает разряжаться, так как катушка закорачивает
его через резистор . На нагрузке появляются импульсы напряжения (рис. 8.13, б).
В первом приближении этот сигнал можно представить в виде
последовательности двухполярных коротких прямоугольных импульсов (рис. 8.14, а),
спектр которой нетрудно рассчитать (рис. 8.14, б). Основной недостаток такой схемы ГГ
— отсутствие в спектре четных гармоник. Его можно устранить, введя в схему дополнительно двухполупериодный выпрямитель (рис. 8.15, а). На выходе выпрямителя (точки
б—б) имеем однополярные импульсы с периодом, в два раза меньшим периода основной
частоты (рис. 8.15, в
Рис. 8.12
Рис. 8.13
Рис. 8.14
Рис. 8.15
Эти импульсы содержат как четные, так и нечетные гармоники частоты 2ω0, и,
следовательно, только четные гармоники частоты ω0- На выходе а—а (рис. 8.15, б) имеем
только нечетные гармоники.
Как следует из рис. 8.15, полосовые фильтры, которые выделяют нечетные
гармоники частоты
, подключают параллельно (непосредственно или через
развязывающие устройства) к выходам а—а, а полосовые фильтры (ПФ) четных
гармоник - к выходам б—б ГГ. Такое решение широко применяется в различных типах
аналоговых многоканальных систем передачи, при этом, как правило, ПФ выполняются
на L С-элементах. Основной недос- таток умножителя частоты на основе такого ГГ недостаточное затухание на выходе полосового фильтра
гармоники для соседних
составляющих
) -й гармоник), что особенно заметно при больших
значениях
Исключить данный недостаток позволяет второй способ построения УЧ. путем
«захвата» частоты вспомогательного генератора. Эффект захвата частоты
заключается в том, что если на автоколебательный генератор, работающий на частоте
, подать сигнал с близкой частотой , то генератор «перескакивает» на нее и
генерирует эту частоту (рис. 8.16, а). Такое слежение за частотой входного воздействия
осуществляется только в пределах достаточно узкой зоны захвата
и
при сравнительно большом входном напряжении
. При невыполнении этих условий
частота автогенератора скачком возвращается к первоначальному значению .
Схема УЧ, построенная на использовании этого эффекта, показана на рис. 5.16,
б. Здесь автогенераторы 4 и 5 настроены соответственно на частоты
и , которые
близки частотам р-й и к-й гармоник входной частоты
При подаче на
входы этих генераторов многочастотных колебаний с выходов полосовых фильтров 2 и 3
и при условии, что амплитуды компонентов на частотах
являются
преобладающими, происходит захват частоты автогенераторов (синхронизация
частоты). Каждый из них начинает генерировать частоту захватывающего колебания.
Рис. 8.16
В результате на выходе УЧ получается очень «чистый» спектр, который
невозможно получить при типовом применении ГГ 1 и полосовых фильтров.
Третий вариант построения умножителя частоты основан на применении
вспомогательного генератора, синхронизируемого с помощью схемы автоматической подстройки фазы и частоты (ФАПЧ или ФАЛ
Рис. 8.17
Структурная схема УЧ, построенная при помощи такого устройства, показана на
рис. 8.17. В установившемся режиме частота
вспомогательного генератора 2 точно в
раз отличается от частоты
задающего генератора 1, т.е.
, При этом на обоих
входах фазового детектора (ФД) 4 частоты колебаний с точностью до фазы равны,
поскольку делитель частоты 3 уменьшает частоту генератора ровно в раз. При «уходе»
частоты
ошибки
или от своих номинальных значений на выходе ФД 4 возникает напряжение
, которое можно записать в виде
(8.24)
Это напряжение проходит фильтр нижних частот 5, который пропускает
разностные частоты
в пределах от 0 до некоторого значения
, усиливается в
усилителе постоянного тока 6 и поступает на управляемый элемент (обычно варикап)
автогенератора 2. При этом изменяется частота этого генератора (он называется
«генератор, управляемый напряжением», или ГУН) до тех пор, пока не восстановится
равенство
'
На практике применяют все три рассмотренных варианта построения умножителей частоты, при этом при малых значениях коэффициента умножения (не более
30) обычно используют более простой первый способ — на основе ГГ с полосовой
фильтрацией. При необходимости получения очень больших значений коэффициента
умножения обычно применяют третий вариант — на основе ФАПЧ.
4 Делители частоты
Регенеративные делители частоты строятся по схеме, показанной на рис. 8.33,
где блок 1 — преобразователь частоты, 5 — умножитель частоты в
раз, 2 и 4 —
полосовые фильтры, 3 — выходной усилитель. Уравнение для частоты установившихся
колебании имеет вид
,
(8.25)
где
— целые числа. Соответственно коэффициент деления равен
. (8.26)
Возможны следующие варианты знаков в выражении для
:
1.
.В этом случае
. Видно, что
, поэтому данный
вариант неприемлем.
2.
. В этом случае
. Такой режим можно использовать в
случае, когда
3.
.В этом случае
. Данный вариант наиболее распространен, так как при любых значениях
получаем.
Таким образом, чаще строят регенеративные ДЧ по уравнению
Рассмотрим частный случай, когда
.
Тогда получим схему делителя частоты на два (
) (рис. 8.18).
Рис. 8.18
Рис. 8.19
Важным достоинством регенеративных делителей частоты является возможность
получать не только целые, но и дробные значения
. Это упрощает формирование
группового сигнала, состоящего из основных и вспомогательных компонентов (например,
контрольных частот).
Подобные делители применялись очень широко до появления интегральных
логических микросхем, в основе которых лежит триггерная ячейка. Цифровые ДЧ,
построенные на основе таких ячеек, называют делителями счетчикового типа (рис.
8.20). Из временной диаграммы (рис. 8.36), показанной для отдельных точек этой схемы,
ВИДНО, ЧТО каждый триггер делит
частоту на два. Общий коэффициент деления равен
, где — число триггеров
Рис. 8.20
Для получения любого заданного значения (но только целого) в цепочку триггеров вводят выбранные определенным образом обратные связи (см. рис. 8.21). Коэффициент деления такой схемы рассчитывается по формуле
(8.27)
где N — общее число цепей обратной связи; — общее число триггеров; —
номер каскада, на вход которого заводится ОС; — номер каскада, с выхода которого
снимается ОС. Например, для схемы, приведенной на рис. 8.20
Имеем = 4, N= 2. При этом для, = 1 имеем =1, =2, а для = 2 соответственно
=2,
= 4. Тогда
=2
+
)] = 10. Следовательно, такая схема
обеспечивает деление частоты в 10 раз. Другой, часто используемый способ построения
ДЧ счетчикового типа с произвольным (но целым!) коэффициентом деления
основан
на использовании дешифратора кода (ДШ) (рис. 8.22). ДШ имеет входов и один выход,
причем сигнал 1 на его выходе появляется только при условии поступления в счетчик
строго определенного числа
входных импульсов, которое в счетчике записывается в
виде определенного двоичного числа в параллельном коде.
Рис. 8..21
Подсчет импульсов происходит в естественном порядке счета, при этом на выходах
триггеров
формируются двоичные числа в параллельном коде вида
Рис. 8. 22
00...0, 00..1, 00... 10 и т.д. Когда придет импульс с номером, равным
, на выходах
счетчика образуется именно то число
, на которое «настроен» дешифратор.
Например, если
=4 и
=10, то
= 1010. Сигнал с выхода ДЩ произведет
принудительную установку всех разря дов счетчика в нулевое состояние, процесс
повторится. На рис. 8.39, а в качестве примера построения такого делителя частоты
изображена схема с = 3, которому соответствует двоичное число =11.
Рис. 8.23
При этом в качестве ДШ можно использовать двухвходовую схему «И». На рис. 8.24, б
приведены соответствующие временные диаграммы на входе и выходе триггеров
.
В микроэлектронном исполнении имеется широкий выбор различных триггерных схем, с
помощью которых можно построить и другие варианты ДЧ. Они приведены в специальной литературе.
Рис. 8. 24
Литература :
Осн. 1. [ 207-216 ]
Доп. 1. [ 182-184 ]