Меню

Генератор с фазовым выходом



Плавное управление фазой сигнала простого RC генератора

Предлагается простой способ формирования многофазного тактового сигнала, при управлении частотой которого фазовые соотношения остаются практически неизменными.

Сдвиг фазы сигнала на втором выходе можно перестраивать практически от нуля до 180°, не затрагивая его частоту. Базовая схема содержит минимальное количество компонентов: один конденсатор, два резистора и два триггера Шмитта (Рисунок 1).

Рисунок 1. Двухфазный генератор с регулировкой частоты и фазового сдвига.

Частота является функцией емкости конденсатора C1 и суммы сопротивлений резисторов R1 и R2. Сигнал, опережающий по фазе сигнал на опорном выходе U1, формируется на выходе микросхемы U2, вход которой подключен к движку потенциометра R1. Когда уровень напряжения на выходе U1 высокий, и конденсатор C1 заряжается, напряжение на входе U2 будет больше, чем на входе U1, вследствие чего U2 переключится раньше, чем U1, то есть, опередит U1 по фазе. При низком уровне на выходе U1 напряжение на входе U2 будет ниже, чем на входе U1, и U2 опять будет впереди U1. Чем ближе друг к другу движки потенциометров R1 и R2, тем больше будут различаться фазы на двух выходах.

Входные пороги КМОП триггеров Шмитта не вполне симметричны по отношению к выходу, поэтому два фазовых сдвига не будут одинаковыми. Эта асимметрия особенно заметна при небольшом опережении фазы.

Резистор R1 управляет фазовым сдвигом, а с помощью R2 можно подстраивать частоту. Поскольку регулировка частоты приводит к изменению фазы, частоту надо всегда устанавливать первой, а фазу – последней. На схеме я показал переменные резисторы, но вы можете любой из них, или же оба, заменить постоянными, а также объединить R1 и R2 в один переменный резистор, отказавшись от управления частотой и ограничив диапазон регулировки. Небольшие различия в пороговых напряжениях микросхем U1 и U2 не позволят установить сдвиг фаз нулевым или близким к нулю.

Рисунок 2 демонстрирует способ управления частотой, при котором изменения фазы минимальны. В этой схеме резисторы R1 и R2 задают частоту сигнала, а R3 и R4 – фазу. Сумма сопротивлений резисторов R3 и R4 должна быть равна или больше суммы сопротивлений R1 и R2. Реальный диапазон перестройки частоты, который вам удастся получить, сохранив изменение фазы на приемлемо низком уровне, составит одну декаду или что-то около того. Добиться большего вам не удастся, поскольку схема будет работать плохо из-за фазового сдвига, вносимого входной емкостью U2, влияние которой на более высоких частотах становится весьма значительным.

Рисунок 2. Генератор с уменьшенной зависимостью частоты от фазы.

Для простоты я представил только двухфазную схему, но добавив еще какое-то количество резисторов или потенциометров, количество фаз можно увеличить. Так, например, если R3 на Рисунке 2 разделить на две равные части, а сигнал, взятый со средней точки, инвертировать относительно остальных двух фаз, можно получить в результате классическую трехфазную схему. Реализация схемы не ограничивается только КМОП триггерами Шмитта; в ней возможно также использовать генераторы, сделанные на основе компараторов или таймера 556.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Генератор фазового сдвига — Phase-shift oscillator

Генератор с фазовым сдвигом — это схема линейного электронного генератора , которая выдает синусоидальный сигнал на выходе. Он состоит из инвертирующего элемента усилителя, такого как транзистор или операционный усилитель, выход которого подается обратно на вход через схему фазового сдвига, состоящую из резисторов и конденсаторов в цепной схеме . Схема обратной связи «сдвигает» фазу выхода усилителя на 180 градусов на частоте колебаний, чтобы получить положительную обратную связь . Генераторы с фазовым сдвигом часто используются на звуковой частоте в качестве звуковых генераторов .

Фильтр производит фазовый сдвиг, который увеличивается с частотой . Он должен иметь максимальный фазовый сдвиг более 180 градусов на высоких частотах, чтобы фазовый сдвиг на желаемой частоте колебаний мог составлять 180 градусов. Наиболее распространенная схема фазового сдвига каскадирует три идентичных резисторно-конденсаторных каскада, которые производят фазовый сдвиг на ноль на низких частотах и ​​270 ° на высоких частотах.

СОДЕРЖАНИЕ

Реализации

Биполярная реализация

Реализация с использованием биполярного транзистора типа NPN основана на примере из популярного журнала для любителей электроники. Схема генерирует на своем выходе синусоидальную волну. Сеть фазового сдвига RC используется для формирования положительной петли обратной связи. Резистор Rb обеспечивает ток смещения базы. Резистор Rc является резистором нагрузки коллектора для тока коллектора. Резистор Rs изолирует цепь от внешней нагрузки.

Реализация полевого транзистора

В схеме реализован RC-фазовый генератор с полевым транзистором. Обратите внимание, что топология, используемая для положительной обратной связи, представляет собой последовательную обратную связь по напряжению.

Реализация операционного усилителя

Реализация генератора с фазовым сдвигом, показанная на схеме, использует операционный усилитель (ОУ), три конденсатора и четыре резистора .

Уравнения моделирования схемы для частоты колебаний и критерия колебаний сложны, поскольку каждый RC-каскад нагружает предыдущие. Предполагая идеальный усилитель, частота колебаний равна:

ж о s c я л л а т я о п знак равно 1 2 π р 2 р 3 ( C 1 C 2 + C 1 C 3 + C 2 C 3 ) + р 1 р 3 ( C 1 C 2 + C 1 C 3 ) + р 1 р 2 C 1 C 2 <\ displaystyle f _ <\ mathrm <осцилляция>> = <\ frac <1> <2 \ pi <\ sqrt R_ <3>(C_ <1>C_ <2>+ C_ <1>C_ < 3>+ C_ <2>C_ <3>) + R_ <1>R_ <3>(C_ <1>C_ <2>+ C_ <1>C_ <3>) + R_ <1>R_ <2>C_ <1>C_ <2>>>>>>

Резистор обратной связи, необходимый только для поддержания колебаний:

р ж б знак равно 2 ( р 1 + р 2 + р 3 ) + 2 р 1 р 3 р 2 + C 2 р 2 + C 2 р 3 + C 3 р 3 C 1 + 2 C 1 р 1 + C 1 р 2 + C 3 р 3 C 2 + 2 C 1 р 1 + 2 C 2 р 1 + C 1 р 2 + C 2 р 2 + C 2 р 3 C 3 + C 1 р 1 2 + C 3 р 1 р 3 C 2 р 2 + C 2 р 1 р 3 + C 1 р 1 2 C 3 р 2 + C 1 р 1 2 + C 1 р 1 р 2 + C 2 р 1 р 2 C 3 р 3 <\ displaystyle <\ begin R _ <\ mathrm > = & 2 (R_ <1>+ R_ <2>+ R_ <3>) + <\ frac <2R_ <1>R_ <3>> < R_ <2>>> + <\ frac R_ <2>+ C_ <2>R_ <3>+ C_ <3>R_ <3>> >> \\ & + < \ frac <2C_ <1>R_ <1>+ C_ <1>R_ <2>+ C_ <3>R_ <3>> >> + <\ frac <2C_ <1>R_ <1>+ 2C_ <2>R_ <1>+ C_ <1>R_ <2>+ C_ <2>R_ <2>+ C_ <2>R_ <3>> >> \\ & + <\ гидроразрыв R_ <1>^ <2>+ C_ <3>R_ <1>R_ <3>> R_ <2>>> + <\ frac R_ < 1>R_ <3>+ C_ <1>R_ <1>^ <2>> R_ <2>>> + <\ frac R_ <1>^ <2>+ C_ <1>R_ <1>R_ <2>+ C_ <2>R_ <1>R_ <2>> R_ <3>>> \ end <выровнено>>>

Уравнения проще, если все резисторы (за исключением резистора отрицательной обратной связи ) имеют одинаковое значение и все конденсаторы имеют одинаковое значение. На схеме, если R 1 = R 2 = R 3 = R и C 1 = C 2 = C 3 = C , то:

ж о s c я л л а т я о п знак равно 1 2 π р C 6 <\ displaystyle f _ <\ mathrm <осцилляция>> = <\ frac <1><2 \ pi RC <\ sqrt <6>>>>>

а критерий колебаний:

р ж б знак равно 29 ⋅ р <\ Displaystyle R _ <\ mathrm > = 29 \ cdot R>

Как и в случае с другими генераторами обратной связи, при подаче питания на схему тепловой электрический шум в схеме или переходный процесс при включении обеспечивают начальный сигнал для начала колебаний. На практике резистор обратной связи должен быть немного больше, чтобы амплитуда колебаний увеличивалась, а не оставалась той же (маленькой) амплитудой. Если бы усилитель был идеальным, то амплитуда увеличивалась бы без ограничений, но на практике усилители нелинейны, и их мгновенное усиление меняется. По мере увеличения амплитуды насыщение усилителя приведет к уменьшению среднего усиления усилителя. Следовательно, амплитуда колебаний будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока средний коэффициент усиления контура не упадет до единицы; в этот момент амплитуда стабилизируется.

Когда частота колебаний достаточно высока, чтобы быть близкой к частоте среза усилителя , усилитель сам вносит значительный фазовый сдвиг, который добавляется к фазовому сдвигу цепи обратной связи. Следовательно, схема будет колебаться с частотой, при которой фазовый сдвиг фильтра обратной связи составляет менее 180 градусов.

Схема с одним операционным усилителем требует относительно высокого усиления (около 30) для поддержания колебаний из-за нагрузки друг на друга RC-звеньев. Если бы каждый RC-сегмент не влиял на другие, для генерации было бы достаточно усиления от 8 до 10. Изолированная версия генератора может быть изготовлена ​​путем вставки буфера операционного усилителя между каждым каскадом RC (это также упрощает уравнения моделирования).

Источник

Где фаза и ноль на выходе генератора?

Если нужны академические знания, с ними можно ознакомиться в книгах и учебниках, которые выложены для свободного скачивания у меня на блоге, на странице Скачать .

Многие домашние электрики, пытаясь самостоятельно подключить генератор, берут в руки отвертку-указатель фазы и вольтметр и недоумевают от показаний этих приборов.

Скажу сразу — что на выходах генератора нет понятий “Фаза” и “Ноль”, есть только разность потенциалов между клеммами. И металлический корпус генератора, который должен по любому быть заземлен. Кроме того, в розетках генератора всегда присутствует заземляющий контакт, который подключен к корпусу генератора.

Это как разделительный трансформатор, на вторичной обмотке которого — 220 В. Будет система питания с изолированной нейтралью. Писал об этом в статье про Использование разделительного трансформатора для питания цепей управления .

Вот схема генератора, посмотрите, чем отличается выходная цепь (кроме количества фаз) от трансформатора на ТП?

Катушка генератора L1, которая является выходной, просто подключена через защитный автомат на выходную клемму, и нигде не заземлена.

То есть, в генераторе реализована система IT:

Конечно, можно не делать глухозаземленную нейтраль, и питать дом или переноску потенциалом 220 В, почему бы и нет?

Если бы не одно НО.

Подключение котла к генератору.

Часто генератор покупают, чтобы использовать его в зимнее время для питания котла системы отопления. Тут имеются некоторые особенности.

Для фазозависимых котлов импортного производства важно, чтобы система питания была с глухозаземленной нейтралью, т.е. ноль и земля соединены вместе, и при подключении соблюдалась полярность (фаза-ноль).

Часто бывает, что если котёл воткнуть в розетку наоборот, т.е. поменять ноль и фазу, он перестает работать.

В случае с переносным генератором, который рассматривается в статье, нет ни нуля, ни фазы. Их надо сделать искусственно – один выход генератора будет фазой (L), а второй (N) сажаем на землю, т.е. заземляем.

Выходы назначаются волевым решением электрика при подключении. И потом их менять нельзя.

Форма напряжения от генератора

Кроме того, как известно, котлы очень чувствительны к форме напряжения. А на выходе обычного генератора синус “грязный”, при случае сниму осциллограмму. Прежде всего это происходит, т.к. альтернатор, который вырабатывает электричество – щёточный, а из-за щёток происходит искрение, провалы, и подобные неприятные вещи.

Именно из-за этого для котлов не подходят Off-line и Smart UPS. Там на выходе – квазисинус с кучей гармоник, осциллограммы можно посмотреть здесь . А для котлов применяется Online UPS (источники бесперебойного питания с двойным преобразованием). Для такого UPS не особо важна форма, величина и частота напряжения на входе, ибо он из всей этой каши варит постоянное напряжение, из которого затем электронным способом получает чистый синус. И если котёл питается через такой ИБП, то можно использовать для его резервного питания обычный генератор.

Читайте также:  Генератор ссылок из ссылки

Для котлов и другой чувствительной техники рекомендуют использовать инверторные генераторы – это генератор плюс онлайн ИБП. В состав инверторного генератора входит обычный генератор, который управляется контроллером, и инвертор, который выдает чистый синус – то, что надо котлам.

Переключение источников питания (глобальная сеть / генератор) — тема сложная, и в данной статье не рассматривается. Попозже.

Если интересна тема генераторов и их подключения — прошу на сайт .

Источник

Фазовая автоподстройка

Фазовая автоподстройка частоты или ФАПЧ (Phase locked loop или PLL) — интересный и полезный электронный блок, доступный как в виде отдельного компонента, так и в составе более сложных микросхем. Содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением, и сделан по смешанной цифро-аналоговой технологии (называемой ещё «техникой смешанных сигналов»). В число приложений входят синтез частоты, получение и восстановление несущей, декодирование тональных посылок, AM, FM и прочих модулированных сигналов.

В прежние времена распространение ФАПЧ сдерживалось сложностью конструкции и ненадёжностью работы. По мере появления недорогих и удобных схем автоподстройки в интегральном исполнении исчез первый барьер, а правильный подход к проектированию превратил ФАПЧ в столь же обычный элемент, как и D-триггер.
Классическая конфигурация показана на рисунке:
Фазовый детектор сравнивает две частоты, создавая сигнал, пропорциональный разности их фаз. Когда речь идёт о разных частотах, на выходе детектора присутствует периодический сигнал с разностной частотой. Если fin не равна fVCO, сигнал фазовой ошибки после фильтрации и усиления используется для коррекции частоты VCO в направлении fin. Если параметры правильные (подробнее об этом чуть позднее), VCO быстро «захватывает» fin, сохраняя определённое соотношение фаз между двумя сигналами.
В этот момент на отфильтрованном входе фазового детектора присутствует постоянный сигнал, пропорциональный входной частоте. Очевидное применение — детектирование тона (используется в телефонии) и демодуляция FM сигнала. Выход VCO — частота, равная входной, возможно, зашумлённой fin, и может использоваться в качестве чистой локальной копии. Причём на выходе VCO может быть треугольный сигнал, синусоидальный или какой-либо иной, т.е. это удобный способ получения сигнала произвольной формы, синхронизированного с заданным.
Одной из самых распространённых схем использования ФАПЧ является создание частоты, кратной «по-модулю-n» опорной fin. Это идеальный способ создания тактовой частоты для интегрирующих АЦП (двойного интегрирования и уравновешивания заряда), где в качестве опорной выступает частота питающей сети. Данный способ позволяет улучшить подавление сетевой наводки и её гармоник. Так же строятся синтезаторы частот.

Компоненты схемы фазовой автоподстройки

Фазовый детектор
Начнём рассмотрение с фазового детектора. Есть два основных типа, часто называемых «тип I» и «тип II».
Фазовый детектор типа I
Применяется как для аналоговых, так и для цифровых сигналов и выполняет простое перемножение входных сигналов. Для цифровых сигналов используется простая схема «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ».
После ФНЧ зависимость выходного сигнала от разности фаз напоминает треугольный сигнал. На рисунке показана временная диаграмма для скважности входных импульсов 50% . Для аналоговых сигналов в качестве типа I выступает линейный умножитель (называемый также «четырёхквадрантным умножителем» или «балансным смесителем»). Его характеристики аналогичны цифровому фазовому детектору на логическом элементе XOR. Фазовые детекторы с высокой степенью линейности — обязательный элемент схемы синхронного детектирования.
Фазовый детектор типа II
Чисто цифровое устройство, реагирующее на фронты входных сигналов. Он чувствует только относительное время между фронтами входного сигнала и выхода VCO.
Компаратор фазы выдаёт только импульсы опережения, если фронт от VCO приходит раньше опорного сигнала, или импульсы задержки, если фронт от VCO приходит позже фронта опорного сигнала. Ширина импульсов равна задержке между появлением фронтов. Выходной каскад принимает или отдаёт ток в активной фазе импульса и находится в третьем состоянии остальное время, создавая сигнал, пропорциональный средней разнице фаз.
Такая схема, в отличие от типа I, совершенно нечувствительна к скважности входных импульсов.

Тип II характеризуется отсутствием выходных импульсов при нулевой разнице фаз сигналов (состояние синхронизации). Это также означает и отсутствие пульсаций на выходе. Такие пульсации свойственны типу I и приводят к постоянному изменению взаимного расположения фронтов. Отдавая должное типу II, стоит отметить, что у него есть ещё одна приятная особенность: он создаёт постоянное напряжение, показывающее знак разницы фаз.

По этой причине, его иногда называют фазо-частотным детектором — PFD. Скоро будет показано, как это помогает процессу захвата в ФАПЧ.
Классическая схема PLL 74HC4046, которая включает и генератор, и фазовый детектор, даёт возможность выбрать тип детектора (внутри есть оба).

Есть ещё одно различие двух типов. Первый всегда имеет на выходе сигнал, который необходимо фильтровать (об этом далее). Поэтому ФАПЧ с фазовым детектором типа I в петле обратной связи всегда есть ФНЧ, который чуть сглаживает выходные логические сигналы. Т.е. на выходе всегда имеются пульсации, ведущие к постоянному изменению фазы в петле обратной связи. В схемах, где ФАПЧ используется для синтеза частот, данное явление вызывает к жизни «боковую полосу модуляции фазы» в выходном сигнале.
Фазовый детектор типа II выдаёт на выход импульсы, только если есть разница фаз между опорным сигналом и частотой VCO. Так как всё остальное время выход находится в третьем состоянии, конденсатор фильтра обратной связи хранит управляющее напряжение для VCO. Если его частота уйдёт, фазовый детектор выдаст серию коротких импульсов. зарядит (или разрядит) конденсатор до нужного управляющего напряжения и вернёт VCO в режим синхронизации. Так работает интегратор фазовой ошибки.
«Мёртвая зона» и «скольжение частоты» Постоянной проблемой первых ФАПЧ, использующих детектор типа II, была проблема мёртвой зоны. Околонулевая разность фаз порождала столь малые коррекционные импульсы, что цепь обратной связи начинала «гулять» (качаться вперёд-назад), вызывая модуляцию фазы или «джиттер». Это явление усугубляется эффектами емкостной нагрузки на выходе фазового детектора. Для применений, требующих чистого стабильного сигнала (сотовой связи, приёмников, синтезаторов частоты) — это серьёзная проблема. Решением, которое сейчас используется почти повсеместно, стало создание зоны перекрытия зарядных и разрядных выходных импульсов. Чтобы это стало возможно, требуется переделка фазового детектора: он должен выдавать импульсы тока, а не напряжения.

Как решается такая задача показывает следующая схема.

Источник или приёмник тока включается первым пришедшим возрастающим фронтом, безразлично, опорного сигнала или VCO, и не выключается до тех пор, пока не закончится жёстко заданный минимальный интервал времени. Такая схема противодействия «скольжению частоты» гарантирует, что выходные импульсы никогда не пропадают. Когда два сигнала точно «в фазе» (произошла синхронизация), оба токовых импульса имеют заданную минимальную длительность (∼15 ns для 74HCT9046 — улучшенной версии 74HC4046) и противоположный знак, полностью взаимно.

Как только появляется рассогласование, возникает и разбалансировка импульсов. Такое линейное поведение схемы в области нуля решает проблему, причём емкостная нагрузка только помогает, работая в качестве интегратора.

Простой способ подавить болтанку вблизи нуля — просто поставить резистор большого номинала параллельно конденсатору фильтра C2 на схеме выше, который выведет рабочую область обратной связи из мёртвой зоны. Заплатить придётся постоянным ненулевым сдвигом фаз, причём не слишком предсказуемым, но, по крайней мере, не будет джиттера.

Генератор, управляемый напряжением

Обязательным компонентом ФАПЧ является генератор, управляемый напряжением (ГУН или VCO), чья частота управляется сигналом с фазового детектора. Такие устройства очень скоро встретятся в примерах схем ФАПЧ. На данный момент будет достаточно простого RC генератора, управляемого напряжением на ’4046 и её преемниках.

Работает схема просто. Выход триггера через n-МОП ключ удерживает один из выводов внешнего времязадающего конденсатора C1 на уровне земли. Тем временем ток Iosc заряжает C1 через p-МОП ключ другого плеча. Когда напряжение на конденсаторе превысит логический порог инвертора (около 1.1V), схема инвертирует потенциалы на выводах конденсатора. На рисунке ниже показана временная диаграмма этого процесса для ’4046 при питании +3.3 V с C1 =10 nF и Iosc =0.85 mA.

Отметим, что каждый цикл начинается на уровне приблизительно –0.7 V (прямом падении напряжения на ограничительном диоде), когда положительно заряженная обкладка конденсатора закорачивается на землю.

В ФАПЧ часто требуется ограничить диапазон перестройки генератора, чтобы он работал в некоторой полосе с центром на желаемой частоте. Например, ФАПЧ в радиоприёмнике требует перестройки в диапазоне ±10 MHz с центральной частотой ∼100 MHz. Дальше встретится пример генератора с очень узким диапазоном перестройки (до ±0.01%) — управляемый напряжением кварцевый генератор. В ’4046 такое ограничение получить достаточно просто с помощью пары резисторов.

R1 отвечает за диапазон перестройки (fmax-fmin), а R2 устанавливает минимальную частоту. В предложенной схеме Q1 работает как управляемая нагрузка для токового зеркала на p-МОП транзисторах, задающая зарядный ток Iosc.

Хватит теории. Рассмотрим схемы ФАПЧ со встроенным генератором и без него. Для начала поиграем с новым товарищем — ’4046. Следует помнить, что ФАПЧ и их VCO не ограничиваются экземплярами, работающими на частотах в десятки мегагерц. На самом деле правильнее было бы говорить, что большинство таких схем работает в диапазоне сотен-тысяч мегагерц. На таких частотах времязадающие RC цепи уже не работают. Вместо них используют LC контуры с настройкой с помощью конденсатора, управляемого напряжением — варактора, или кольцевого генератора (цепочки инверторов), которые регулируются уровнем рабочего тока. Встречаются более экзотические техники: резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и микроэлектромеханические системы (МЕМС).

* в данном случае «акустические» означает неэлектрическую природу процесса: речь идёт о механических колебаниях на частотах, лежащих далеко за пределами слышимого диапазона.

VCO не обязаны иметь линейную зависимость частоты от управляющего напряжения, но сильная нелинейность ведёт к изменению петлевого усиления с изменением частоты (об этом ниже), что плохо сказывается на устойчивости.

Конструкции ФАПЧ

Замыкаем петлю управления. Фазовый детектор даёт сигнал ошибки сообразно с разницей фаз между опорным входом и сигналом с генератора. VCO позволяет управлять частотой с помощью напряжения. Задача выглядит тривиально: выбирается петлевое усиление и замыкается цепь обратной связи. Всё как в обычном операционном усилителе с обратной связью.

Но есть одно базовое различие. Ранее величина, подстраиваемая обратной связью, была тем самым сигналом ошибки на входе, который воздействовал на работу схемы, или как минимум была ему пропорциональна. Например, в усилителе напряжения измеряется сигнал на выходе и соответственно подстраивается сигнал на входе. Но в ФАПЧ имеется операция интегрирования: измеряется фаза, а изменяется частота. Фаза — это интеграл частоты. Другими словами, в цепи обратной связи появляется запаздывание по фазе на 90°.
Интегратор в цепи обратной связи имеет важное следствие: дополнительное запаздывание на 90° на частоте единичного усиления может вызвать генерацию. Простым решением будет исключение любых источников запаздывания фазы вблизи частоты единичного усиления. В конце концов, операционные усилители работают с таким сдвигом в большей части своего рабочего диапазона, и всё работает очень хорошо. Это один из подходов, который ведёт к схеме, носящей название «петля обратной связи первого порядка». Выглядит она как показанная ранее схема ФАПЧ с исключённым фильтром низких частот.
Такой метод находит применение, но не может работать как инерционное звено и сглаживать с помощью VCO шум и колебания управляющего сигнала. Кроме того, петля первого порядка не поддерживает фиксированного соотношения фаз между опорным сигналом и выходом VCO, потому что выход фазового детектора заводится непосредственно на генератор. Цепь «второго порядка» имеет в своём составе дополнительный ФНЧ (как на предыдущих схемах), который необходимо тщательно рассчитывать, чтобы не допустить появления неустойчивости.
Такая схема приобретает «инерцию», сокращает «диапазон захвата» и удлиняет время захвата. Фазовый детектор типа II и цепь второго порядка гарантирует захват при нулевой разности фаз опорного сигнала и выхода VCO. Объяснения этому факту последуют чуть позднее. Петля второго рода используется повсеместно, потому что обычным требованием к ФАПЧ является отсутствие фазового шума и наличие эффекта «памяти» или инерции. Петля второго порядка позволяет иметь большое усиление на низких частотах, что позволяет получить высокую стабильность (по аналогии с большим петлевым усилением в обычном усилителе с обратной связью). Стоит познакомиться с предметом поближе, иллюстрируя идеи примерами разработок.

Пример разработки: умножитель частоты

Получение частоты, кратной входной, — одна из наиболее распространённых задач для ФАПЧ. Решается она синтезаторами частот, на выходе которых создаётся частота в n раз большая, чем стабильный низкочастотный сигнал (например, 1 Hz), причём n устанавливается цифровым способом. В результате получается универсальный источник сигнала, управляемый через цифровой интерфейс. В повседневной жизни ФАПЧ используется для получения тактовой частоты, кратной опорному источнику, уже имеющемуся в приборе.
Предположим, например, что требуется тактовый сигнал 61440 Hz для АЦП двойного преобразования. Такая частота позволит выполнять 7.5 измерений в секунду, имея восходящую ветвь длительностью 4096 тактов (напоминаем, что в двойном интегрировании сначала идёт зарядка за фиксированное время, а затем разрядка фиксированным током) и длительность нисходящей — разрядка полной шкалы — до 4096 тактов. Уникальное достоинство ФАПЧ состоит в том, что 61440 Hz можно синхронизировать с частотой силовой сети 60 Hz (61440 = 60×1024), что позволит очень эффективно ослаблять сетевые 60-герцовые наводки, которые имеются на входе любого конвертора.

Начнём со стандартной схемы ФАПЧ с делителем «по-модулю-n» между выходом VCO и входом фазового детектора.

Читайте также:  Контактные кольца генератора ока
На схеме имеются индивидуальные обозначения коэффициентов усиления каждого элемента устройства. Они требуются для расчёта устойчивости схемы. Особо подчеркнём, что фазовый детектор преобразует фазу в напряжение, а VCO преобразует напряжение в производную фазы по времени (частоту). Т.е. VCO является интегратором, а нижняя часть блок-схемы имеет в качестве переменной фазу. Фиксированное изменение напряжения на входе VCO вызывает линейное изменение фазы на его выходе. ФНЧ и делитель «по-модулю-n» имеют безразмерные коэффициенты усиления.

Устойчивость и сдвиг фазы. Основное условие стабильности ФАПЧ второго порядка показано на графике петлевого усиления — диаграмме Боде

VCO представляет собой интегратор с передаточной характеристикой 1/f и запаздыванием фазы 90° (т.е. отклик пропорционален 1/jω), как в случае источника тока, нагруженного на конденсатор). Чтобы иметь приличный запас по фазе (разницу между 180° и сдвигом фазы в петле обратной связи на частоте единичного усиления), в фильтре нижних частот есть дополнительный резистор последовательно с конденсатором, чтобы прекратить (уменьшить) спад на некоторой частоте (такую точку называют «нулём» функции). Комбинация двух таких характеристик имеет результатом показанный график усиления с обратной связью. До тех пор, пока петлевое усиление падает со скоростью 6 dB/octave в окрестности частоты единичного усиления, цепь обратной связи будет устойчива. Этим будет заниматься ФНЧ, если параметры схемы выбраны правильно (методика такая же, как с коррекцией ОУ). Процесс объясняется дальше.

Расчёт усиления в петле обратной связи. На рисунке показана схема синтезатора частоты 61440 kHz .

Фазовый детектор и VCO входят в состав КМОП ИМС ’HC4046. Здесь использован фазовый детектор, чувствительный к фронту сигнала — тип II (в ’HC4046 есть оба типа). Выходной сигнал идёт с пары КМОП транзисторов, выдающих сигнал полного размаха питания. Это настоящий выход с тремя состояниями. Он находится в обрыве всё время, когда не выдаёт импульс фазовой ошибки.

VCO позволяет установить граничные частоты, соответствующие управляющим уровням нуля и VDD. Для этого используются R1, R2 и C1. Исходные номиналы взяты в соответствии с рекомендациями в справочных данных.
Замечание: ’4046 «знаменит» высокой требовательностью к стабильности питания, см. графики в паспортных данных. Все остальные действия особенностей не имеют.

После завершения выбора диапазона VCO требуется настройка фильтра нижних частот. Выбор компонентов генератора, коэффициентов деления и уровней питания нужен для определения единственной итоговой величины — коэффициента усиления фильтра в цепи обратной связи KF.

Надо выбрать частоту, на которой усиление падает до единицы. Основная мысль: частоту единичного усиления надо выбирать достаточно высокой, чтобы схема могла отслеживать изменения частоты в интересующем диапазоне, но достаточно низкой, чтобы обеспечивать сглаживание скачков частоты и шума. Например, ФАПЧ для демодуляции FM-сигнала или декодирования тональных посылок должна быстро реагировать на изменения. В частности, для FM-сигнала полоса пропускания петли автоподстройки должна соответствовать полосе входного сигнала и реагировать на максимальную частоту модуляции.
При декодировании тональных посылок время реакции на изменение частоты должно быть меньше, чем продолжительность тона. С другой стороны, схема, предназначенная для умножения стабильной и медленно меняющейся опорной частоты, должна иметь низкую частоту единичного усиления, потому что при этом снижается фазовый шум выходного сигнала. Схема умножения становится нечувствительной к помехам и шуму опорной частоты. Становится трудно обнаружить даже кратковременное пропадание опорного сигнала, потому что конденсатор фильтра продолжает сохранять управляющих уровень и VCO продолжает работу.

В примере для f2 выбрано 2 Hz или 12.6 радиан в секунду. Это гораздо ниже, чем опорный сигнал, так как резких изменений частоты сети, больших, чем указанная величина, не ожидается (сетевая частота создаётся огромными генераторами с чудовищной инерцией). Эмпирическое правило: точка перегиба характеристики ФНЧ (его «нуль») должна иметь 3-, 5-кратный запас по частоте, чтобы иметь достаточный запас по фазе. Не следует забывать, что в простой RC цепи фаза сдвигается на 90° при изменении частоты от 0.1f3dB до 10f3dB (на –3 dB находится «полюс»), причём на самой частоте «-3dB» сдвиг составляет 45°. В примере частота «нуля» f1 составит 0.5 Hz или 3.1 радиан/сек

Точка перегиба f1 определяется цепью R4C2. Постоянная времени R4C2=1/2πf1. Берём ориентировочные цифры: C2 =1 μF, R4 =330 Ω. Всё, что остаётся, выбрать R3 так, чтобы усиление на частоте f2 было равно 1. В данном случае R3 =3.6 .

Иногда получившиеся цифры не попадают в стандартные ряды номиналов, и их приходится подгонять или слегка сдвигать частоту единичного усиления. В случае КМОП микросхем фазовой автоподстройки и сами цифры, и их возможный диапазон вполне приемлемы. Для генераторов с низким входным импедансом может потребоваться внешний буферный ОУ.

В примере использован фазовый детектор, чувствительный к фронту (тип II), потому что с ним упрощается конструкция фильтра в обратной связи. В практической конструкции ФАПЧ для сетевой частоты такой выбор, вероятно, не лучшее решение, потому что в силовом переменном напряжении слишком много шума и мусора. Помехи в опорной частоте вызывают ложные срабатывания фазового детектора типа II и заставляют разработчика помучиться. Правильная конструкция аналоговых входных цепей (триггер Шмитта с ФНЧ на входе) позволяет детектору типа II работать должным образом. Если это не так, то придётся использовать «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ» (тип I).

Путь проб и ошибок. Несколько полезных приёмов «обработки изделия напильником»: R3C2 устанавливают время сглаживания (отклика) петли, а R4R3 определяют демпфирование. Т.е. определяют величину выброса при резком изменении частоты. Начинать следует с соотношения R4> (0.2–0.3) R3 (и затем снижать номинал R4).

Связь между демпфированием в петле фазовой автоподстройки и джиттером. Побочным эффектом ненулевого «демпфирующего» резистора R4 является появление на выходе ФАПЧ джиттера. Проще всего обратить внимание на то, что даже на высоких частотах петлевой фильтр позволяет части исходного сигнала (в пропорции R4/(R3+R4 )) с фазового детектора добраться до VCO. Для типичных отношений R3∼10R4 джиттер будет вполне заметен. Обычным решением проблемы является небольшой конденсатор (∼C2/20) с входа VCO на землю. Его желательно располагать, возможно, ближе к микросхеме, чтобы отсечь заодно ВЧ наводки и шум.
Рабочая схема фазовой автоподстройки. До настоящего момента разработка шла, исходя из уверенности, что документация по выбранной микросхеме (популярный элемент ’HC4046) вполне надёжна. Но оказывается, что каждый производитель клона ’4046 использует собственную схему для VCO. Кроме того, характеристика управления VCO должна быть линейной и предсказуемой, а на деле зависимость непонятная. Её параметры меняются с изменением управляющего тока, напряжения питания и рабочей частоты VCO. Ситуация усугубляется на частотах выше 10 MHz . Вывести аналитические соотношения возможно, но рекомендуемым методом остаётся выбор номиналов времязадающих компонентов (R1, R2 и C1) по номограммам из справочных данных. После чего разработчику в обязательном порядке предписывается подстраивать их в ходе макетирования, прежде чем отдавать схему в производство.

Столь большие различия и отсутствие какой-либо вызывающей доверие предсказуемости вынуждает дать несколько советов:

  1. необходимо выбрать какого-то одного производителя микросхем для серийной продукции и не разрешать никакие замены;
  2. надо задавать широкие границы области работы fmin и fmax;
  3. исходные номиналы на схеме необходимо заменить реальными цифрами, полученными в ходе настройки готового изделия.

Совет №1применим ко всем аналоговым функциям, встроенным в цифровые ИМС и в устройства смешанных сигналов, например, фазовые компараторы, генераторы, VCO, миксеры, триггеры Шмитта, одновибраторы и компараторы.

Широтно-импульсная модуляция
В этом способе используется цифровой входной код для формирования последовательности импульсов фиксированной частоты с длительностью импульсов, пропорциональной входному числу. Легче всего это сделать с помощью счетчика, компаратора и высокочастотного генератора тактовых импульсов. Как и прежде, можно использовать простейший фильтр низких частот для того, чтобы сформировать выходное напряжение, пропорциональное среднему времени пребывания в высоком состоянии, т.е. пропорциональное цифровому входному коду.

Наиболее часто этот вид цифро-аналогового преобразования используется, когда сама нагрузка является системой с медленной реакцией. В этом случае широтно-импульсный модулятор генерирует точные порции энергии, усредняемые системой, подключенной в качестве нагрузки. Нагрузка, например, может быть емкостной (как в стабилизаторе с импульсным регулированием), термической (термостатированная ванна с нагревателем), механической (система автоматического регулирования скорости ленты) или электромагнитной (большой электромагнитный регулятор).

Читайте также:  Функция генератора в автомобиле такая он

Захват и синхронизация в ФАПЧ

После того, как схема ФАПЧ вошла в синхронизацию, она будет оставаться в таком состоянии, пока входная частота не выйдет за рабочие пределы цепи автоподстройки или не начнёт меняться со скоростью большей, чем позволяет отслеживать рабочая полоса цепи обратной связи. Интереснее было бы узнать, на какой частоте произойдёт захват в первом случае. В конце концов, исходная разность частот на фазовом детекторе приведёт к периодическому гулянию выходного сигнала с периодом изменения частоты, равным разности выходного и опорного сигнала. После прохождения через ФНЧ эта разность превратится в колебания малой амплитуды вместо чистого постоянного уровня.
Отслеживание изменений частоты
На самом деле ситуация несколько сложнее. Цепь фазовой автоподстройки первого порядка переходит в состояние синхронизации всегда, потому что входной сигнал не ослабляется при прохождении ФНЧ. Цепи второго порядка могут синхронизироваться, а могут этого и не делать. Результат зависит от типа фазового детектора и полосы пропускания ФНЧ. Кроме того, фазовый детектор типа I («ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ») имеет ограниченный диапазон захвата. Диапазон зависит от постоянной времени фильтра. Данное свойство может быть обращено в достоинство, если нужно, чтобы ФАПЧ проводило захват частоты в определённом диапазоне.
Как происходит синхронизация в фазовом детекторе типа I вообще непонятно, поскольку, если на выходе фазового детектора постоянно имеется сигнал разностной частоты, частота VCO должна просто постоянно гулять взад-вперёд. Но если присмотреться к процессу, можно обнаружить следующую картину. В тот момент, когда сигнал ошибки подталкивает выход VCO ближе к опорной частоте, его собственная огибающая имеет более пологую форму и наоборот. Сигнал ошибки в результате становится асимметричным и меняется медленнее в той части цикла, в которой fVCO ближе к fREF. В результате среднее значение становится ненулевым. Появляется постоянная составляющая, вынуждающая ФАПЧ войти в синхронизацию. Если посмотреть внимательно на выходной сигнал VCO в момент изменения опорной частоты, можно заметить что-либо, напоминающее рисунок.

Интересный момент возникает с финальным «выбегом» частоты перед синхронизацией. Даже когда VCO оказывается настроен на правильную частоту (это видно по корректному уровню управляющего напряжения), схема ещё не обязательно перешла в синхронизм, т.к. может быть некорректной фаза. Из-за этого и появляется выбег. Каждый переход к синхронизации индивидуален, все они отличаются друг от друга.

Для фазового детектора типа II ситуация существенно проще. Из-за того, что в выходном сигнале детектора присутствует постоянная составляющая, указывающая правильное направление изменения частоты (второе название такого детектора — «фазо-частотный детектор»), выход VCO быстро меняется в нужном направлении.

Диапазон захвата и синхронизации
Для фазового детектора на «ИСКЛЮЧАЮЩЕМ-ИЛИ» (тип I) область захвата ограничивается параметрами ФНЧ и начинает сказываться, когда пилотный сигнал сильно уходит по частоте. Сигнал ошибки в этом случае будет ослабляться фильтром так сильно, что петля автоподстройки никогда не войдёт в синхронизацию. Очевидно, что по мере роста постоянной времени фильтра диапазон захвата становится всё уже. Такая же зависимость наблюдается при снижении петлевого усиления. Фазовый детектор, срабатывающий по фронту, таких проблем не имеет, потому что работает как настоящий интегратор для импульсов фазовой ошибки. У обоих типов диапазон синхронизации ограничен возможностями VCO при заданном управляющем напряжении.

Время захвата. ФАПЧ с фазовым детектором типа II (интегрирующим) всегда входит в синхронизм (предполагается, что у VCO достаточный диапазон перестройки) за время, определяемое полосой пропускания петли автоподстройки.

Фазовый детектор типа I (умножающий или смешивающий) в паре с интегрирующим фильтром тоже синхронизируется, но, если рабочая полоса петли автоподстройки узкая, процесс может оказаться довольно долгим. Можно показать, что время синхронизации приблизительно равно Δf 2 /BW 3 , где Δf — исходная разница частот, а BW — ширина полосы автоподстройки. Таким образом, ФАПЧ с полосой 100 Hz , пилотным сигналом 100 kHz и исходной разницей частот 10% будет входить в синхронизм около минуты.
В схемах, рассчитанных на такие условия, иногда можно наблюдать интересный приём: при разомкнутой петле на управление VCO подаётся медленный пилообразный сигнал с полным диапазоном перестройки частоты, покуда не произойдёт синхронизация. Например, в рубидиевом стандарте частоты FRS фирмы Efratom слабый, но очень стабильный резонанс в атомах рубидия, возбуждаемых оптической накачкой, служит пилотным сигналом для высококачественного кварцевого генератора. 20-мегагерцовый термостатированный кварцевый генератор (XO) подстраивается управляющим напряжением (VCXO) в диапазоне ±1 kHz. Роль инерционного звена выполняет петля автоподстройки за счёт фильтра-интегратора R =2 и C=1 μF.
Без посторонней помощи такая схема будет входить в синхронизацию вечно. В руководстве пользователя объясняется, как обходится это препятствие:
«Если сигнал «LOCK» отсутствует … медленное качание управляющего напряжения генератора со скоростью 250 mV в секунду. Качание продолжается до появления сигнала «LOCK». Сигнал «LOCK» запрещает работу схемы качания напряжения. Это переводит интегратор под управление петли автоподстройки».

Фазовые детекторы типа II, благодаря наличию сигналов, как величины рассогласования, так и его знака, в таких хитростях не нуждаются. Но на высоких частотах в системах связи фазо-частотные детекторы практически не используются, и подавляющее большинство составляют умножающие детекторы типа I.

Некоторые области использования ФАПЧ

Ранее уже приводился пример использования петли автоподстройки для умножения частоты. Задача это столь очевидная, что выискивать экзотические схемы ФАПЧ не требуется. В простых задачах умножения частот (например, получения тактовой частоты для цифровой системы) не возникает даже проблем с шумом опорной частоты. В таких задачах вполне достаточно петли автоподстройки первого порядка.

Очевидно, что требования к ФАПЧ зависят от назначения устройства. Между широким диапазоном перестройки, шагом перестройки частоты, низкой ценой компонентов, широкой рабочей полосой (скоростью перестройки) и качеством сигнала (низким фазовым шумом, малым джиттером, незначительным уровнем побочных частотных компонентов) существуют противоречия разной степени сложности. Для микропроцессора или динамической памяти не нужна высокая точность формы импульсов и настройки частоты. Для сотовой связи требуется низкий фазовый шум и отсутствие посторонних частотных компонентов, а диапазон настройки и ширина полосы должны согласовываться с частотой соты и канала. Для генератора синусоидального сигнала требуется низкий уровень фазовых шумов и посторонних частотных компонентов, малый шаг перестройки и широкий диапазон рабочих частот.

Для систем передачи данных нужен малый джиттер, те же требования к тактированию у АЦП (где джиттер превращается в искажения). Для материнской платы PC требуется одна микросхема, с помощью которой можно получить полный набор стандартных частот без каких-либо требований к качеству сигналов.

Ниже описываются два важных варианта схемы умножения частоты, известные как «n/m» и «синтез с дробным делителем». Далее идут некоторые интересные приложения техники фазовой автоподстройки, позволяющие оценить возможные сферы использования. Тема завершается обзором ИМС ФАПЧ с отличными характеристиками и массой интересных инженерных идей в конструкции.

Синтез с дробным делителем

Схема умножения частоты

создаёт выходной сигнал, кратный исходному в целое число раз fout= n·fREF. Он годится для схем, подобных этой,

но бесполезен для построения генераторов синусоидального сигнала общего назначения, где требуется получать некратные частоты с точностью установки до 1 Hz, а то и до 0.001 Hz.

Предделитель

Используется в нескольких схемах.

Это первая мысль, которая приходит в голову: поделить опорную частоту до уровня минимального шага её перестройки, скажем, 1 Hz с последующим умножением до нужного значения. Сделать это можно с помощью счётчика «по-модулю-r», где r — целое число, выбираемое из условия fcomp=fREF/r. Если опорная частота равна 10 MHz (это общеупотребительный стандарт) и требуется точность установки 1 Hz, надо брать r=10 7 . Выходная частота fout=n·fREF/r.
Получилась вполне рабочая схема, но фазовый детектор работает теперь с двумя сигналами 1 Hz, что означает очень большую постоянную времени (много секунд). Такое положение неприемлемо, потому что каждая смена частоты потребует массу времени для синхронизации с новым значением. В такой схеме будет много фазового шума, потому что короткоживущие внутренние события в VCO корректироваться не будут (на таких частотах в петле автоподстройки не останется усиления — всё съест фильтр). И, если сказанного недостаточно, корректирующие импульсы с фазового детектора, идущие с малой частотой (которые умножаются с большим коэффициентом), создают нежелательную модуляцию в боковых полосах рядом с выходным сигналом.

Постделитель

Следующий подход: стараться удерживать высокую опорную частоту и делить выходной сигнал

Теперь выходная частота равна fout=fREF×n/m. Выглядит неплохо: достаточно усиления в петле автоподстройки, потому что фазовый детектор работает на высокой частоте fREF, но за счёт большого коэффициента m выходного делителя шаг настройки получается небольшой, как и хотелось изначально.

Схема работает отлично, но ровно до того момента, пока требуется низкая выходная частота. Теперь проблема в том, что VCO приходится создавать в m раз более высокую частоту, чем fout. Для опорной частоты 10 MHz и m=10 7 (для шага 1 Hz) VCO должен выдавать 1 GHz, чтобы получить на выходе каких-то 100 Hz (n =100). Не, не пойдёт.

Пред- и постделитель

Решение очевидно: надо использовать делители и на входе, и на выходе.

Такое решение позволяет проскочить между слишком мелким шагом перестройки и слишком большой частотой VCO. Теперь выходная частота равна fout = (fREF/r)(n/m). Это стандартная схема для ФАПЧ с «целыми делителями», т.к. все три коэффициента выражаются целыми числами.

Для стандартной опорной частоты 10 MHz можно взять r=10 4 (fcomp =1 kHz) и m=10 3 . Шаг перестройки выходной частоты — 1 Hz, а её значение fout =n Hz. Можно создавать частоты до 100 kHz (с шагом 1 Hz), при этом VCO крутится на 100 MHz.

«Дробный делитель» в качестве посеребрённой пули

На данный момент удалось утрясти проблемы с шагом перестройки, полосой обратной связи, максимальной выходной частотой и выходным сигналом VCO. Удалось получить высокую выходную частоту и мелкий шаг 1 Hz при опорной частоте 10 MHz (т.е. произведение m×r остаётся постоянным), а заплачено за это меньшей полосой обратной связи (если m мало, а r — велико) или меньшей выходной частотой (если m велико, а r — мало).

Возможны ли дальнейшие улучшения? Да, если получится провернуть один фокус и превратить какой-нибудь из делителей (например, «по n») в делитель с не целым коэффициентом (попадающим между двумя натуральным числами). Результат достигается в ходе усреднения двух соседних целых значений, если часть времени пересчёт будет вестись с коэффициентом n, а оставшееся время — с коэффициентом n+1. Это синтез с «дробным коэффициентом»

Источник