Введение

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) представляет собой широко используемый своеобразный узел, который выпускается некоторыми фирмами в виде отдельной ИМС. ФАПЧ содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН), и представляет собой сочетание аналоговой и цифровой техники. Мы вкратце рассмотрим применения ФАПЧ для тонального декодирования, демодуляции AM- и ЧМ-сигналов, умножения частоты, частотного синтеза, тактовой синхронизации сигналов в условиях помех (например, в магнитной записи) и восстановления сигналов.

Существует традиционное предубеждение против ФАПЧ, которое отчасти связано со сложностью реализации ФАПЧ на дискретных компонентах, а отчасти основано на мнении, что ФАПЧ не может достаточно надежно работать. Однако появление в настоящее время большого числа недорогих и простых в использовании устройств ФАПЧ позволяет быстро устранить первое препятствие для их широкого применения. Если устройство ФАПЧ правильно спроектировано и используется не на предельных параметрах, оно является таким же надежным схемным элементом, как операционный усилитель или триггер.

Классическая схема ФАПЧ приведена на рис.1. Фазовый детектор сравнивает частоты двух входных сигналов и генерирует выходной сигнал, который является мерой их фазового рассогласования (если, например, они различаются по частоте, то будет формироваться периодический выходной сигнал разностной частоты). Если частоты fвх и fгун не равны друг другу, то сигнал фазового рассогласования после фильтрации и усиления будет воздействовать на ГУН, приближая частоту fгун к fвх. В нормальном режиме ГУН быстро производит "захват" частоты fвх, поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.

Поскольку после фильтрации выходной сигнал фазового детектора представляет собой постоянное напряжение, а управляющий сигнал ГУН является мерой входной частоты, совершенно очевидно, что ФАПЧ можно применять для ЧМ-детектирования и тонального декодирования (при цифровой передаче по телефонному каналу). Выход ГУН формирует сигнал с частотой fвх; при этом он представляет собой "очищенную" копию сигнала fвх, который сам по себе может быть подвержен воздействию помех. Поскольку выходной периодический сигнал ГУН может иметь любую форму треугольную, синусоидальную и т. п.), это дает возможность формировать, скажем, синусоидальный сигнал, синхронизированный с последвательностью входных импульсов.

Часто в схемах ФАПЧ используют счетчик по модулю п, включенный между выходом ГУН и фазовым детектором. При помощи этого счетчика получают частоту, кратную входной опорной частоте fax. Это удобно для формирования тактовых импульсов, кратных сетевой частоте в интегрирующих преобразователях (двухстадийные или с уравновешиванием заряда), с целью подавления сетевых помех. На основе подобных схем строятся также и частотные синтезаторы.

Компоненты устройства ФАПЧ

Фазовый детектор. В настоящее время существуют два основных типа фазовых детекторов, которые иногда называют тип 1 итип 2. Детектор типа 1 работает с аналоговыми или цифровыми сигналами прямоугольной формы, а детектор типа 2 оперирует цифровыми переключениями (фронтами). Представителями типа 1 являются ИМС565 (линейный) и 4044 (ТТЛ), типа 2-4046 (КМОП).

Простейший фазовый детектор типа 1 (цифровой) - это вентиль Исключающее ИЛИ, схема которого приведена на рис.2. На этом же рисунке изображена зависимость выходного напряжения детектора (после низкочастотной фильтрации) от разности фаз для входных прямоугольных сигналов с коэффициентом заполнения, равным 50%. Фазовый детектор типа 1 (линейный) имеет аналогичные фазовые характеристики, хотя он строится на основе "четырехквадратного" умножителя, известного также под названием "балансного смесителя". Фазовые детекторы данного типа обладают высокой линейностью и используются для синхронного детектирования.

Фазовые детекторы типа 2 чувствительны только к относительному положению фронтов входного сигнала и сигнала на выходе ГУН, Как это показано на рис.3. В зависимости от того, до или после возникновения фронта опорного сигнала появится фронт выходного сигнала ГУН, на выходе фазового компаратора будут формироваться импульсы опережения или отставания соответственно.

Длительность этих импульсов, как показано на рисунке, равна интервалу времени между фронтами соответствующих сигналов. Во время действия импульсов опережения или отставания выходная схема соответственно отводит или отдает ток, а получаемое на выходе среднее напряжение зависит от разности фаз, как показано на рис.4. Работа данной схемы совершенно не зависит от скважности входных сигналов (в отличие от рассмотренной выше схемы фазового компаратора типа 1). Еще одно преимущество заключается в полном отсутствии выходного сигнала в случае, когда входные сигналы находятся в синхронизме. Это означает, что на выходе отсутствуют "пульсации", из-за которых в фазовых детекторах типа 1 происходит периодическая фазовая модуляция.

Приведем сравнительные характеристики двух основных типов фазовых детекторов:

Таблица 1.

Имеется еще одно различие между фазовыми детекторами этих двух типов. Выходной сигнал детектора типа 1 всегда требует последующей фильтрации в контуре регулирования (более подробно об этом см. ниже). Таким образом, в ФАПЧ с детектором типа 1 контурный фильтр действует, как фильтр низкой частоты, сглаживающий логические сигналы полной амплитуды. При этом всегда присутствуют остаточные пульсации, результатом которых являются периодические фазовые колебания. В схемах, где ФАПЧ используется для умножения или синтеза частот, это приводит к "боковой фазовой модуляции" выходного сигнала.

Детектор типа 2, напротив, формирует выходные импульсы только тогда, когда есть фазовое рассогласование между опорным сигналом и сигналом ГУН. Если рассогласование отсутствует, выход детектора ведет себя как разомкнутая схема, а конденсатор контурного фильтра действует как запоминающее устройство, сохраняя напряжение, при котором ГУН поддерживает необходимую частоту. Если изменится частота опорного сигнала, фазовый детектор сформирует последовательность коротких импульсов, которые зарядят (или разрядят) конденсатор до нового напряжения, необходимого для возврата ГУН в синхронизм.

Генераторы, управляемые напряжением. Важной составной частью систем фазовой автоподстройки является генератор, частотой которого можно управлять с выхода фазового детектора. Некоторые ИМС ФАПЧ включают в себя ГУН, например линейный элемент 565 и КМОП-элемент 4046. Также имеются и отдельные ИМС ГУН, такие, как 4024 (дополнительный к упомянутому выше фазовому детектору на элементах ТТЛ 4044), или различные элементы ТТЛ серии 74хх (например, 74S124 и 74LS324-327). Другой интересный класс ГУН составляют генераторы с синусоидальным выходом (8038, 2206 и т. п.). Они генерируют чистый синусоидальный сигнал при искаженных входных сигналах. В табл.2 приводится краткий перечень различных ГУН.

Таблица 2.

Следует обратить внимание, что на частоту ГУН не накладываются ограничения, существующие для логических схем. Например, можно использовать генератор радиочастоты с варактором (диодом изменяемой емкости) (рис.5).

Не останавливаясь на этом подробно, заметим, что можно применять даже микроволновый (гигагерцы) генератор на отражательном клистроне, настройка которого производится изменением напряжения на отражателе. Естественно, что устройство ФАПЧ с генераторами подобного типа должно содержать радиочастотный фазовый детектор. В системах ФАПЧ не требуется, чтобы ГУН обладал слишком высокой линейностью зависимости частоты от напряжения. Однако при существенной нелинейности коэффициент передачи будет изменяться с частотой, и придется обеспечивать больший запас устойчивости.