В данной работерассматривается работа системы фазовой автоподстройки частоты, а также смоделирован и проанализирован её применения для отслеживания частоты и фазы сигнала.
Ключевые слова: фазовая автоподстройка частоты, PLL, отслеживание частоты и фазы.
В настоящее время система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является ключевой технологией в многих схемах радиотехники и спутниковой связи. Схемы ФАПЧ используются в передатчиках и приемниках, при аналоговой и цифровой модуляции, а также при передаче цифровых сигналов. Схема ФАПЧ позволяет обеспечить точную настройку, частотную селекцию и фильтрацию без использования громоздких элементов фильтров, используемых в схемах детектирования. Система ФАПЧ находит широкое применение, ей поcвящено много книг и статей [1–4].
Описание системы
Фазовая автоподстройка частоты — система автоматического регулирования, подстраивающая фазу управляемого генератора так, чтобы она была равна фазе опорного сигнала, либо отличалась на известную функцию от времени. ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и используется в качестве управляющего для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной, то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного. Существенной особенностью системы ФАПЧ, отличающей ее от большинства других систем автоматического регулирования, является то, что выходной величиной ГУН является частота, а входной величиной ФД — разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи, поступающего с выхода ГУН [5].
Рис. 1. Структурная схема системы ФАПЧ
Использование ФАПЧ для отслеживания частоты ифазы сигнала
С использованием системы ФАПЧ, данная схема моделирует систему управления с обратной связью, которая отслеживает частоту и фазу синусоидального сигнала с использованием внутреннего генератора частоты. Система управления регулирует частоту внутреннего генератора для поддержания разности фаз в 0.
Рис. 2. Схема системы ФАПЧ для отслеживания частоты и фазы сигнала
Входной сигнал смешивается с сигналом внутреннего генератора. Компонент постоянного тока смешанного сигнала (пропорциональный разности фаз между этими двумя сигналами) извлекается со средним значением переменной частоты. Пропорционально-интегрально-производный (ПИД) регулятор с опциональной автоматической регулировкой усиления (АРУ) поддерживает разницу фаз до 0, воздействуя на управляемый генератор. Выход ПИД, соответствующий угловой скорости, фильтруется и преобразуется в частоту в герцах, которая используется средним значением.
Моделирование ианализ результатов
Для моделирования системы ФАПЧ и оценки реализуемости метода в среде Simulink MATLAB [6] была разработана модель схемы (рис. 3). Данная схема в среде Simulink смодулирована с помощью стандартного блока Selector [7].
Рис. 3. Схема для моделирования работы ФАПЧ
В качестве источника использует блок «Трехфазный программируемый генератор» [8], который генерирует трехфазный сигнал с программируемым изменением во времени амплитуды, фазы, частоты и гармоник.
Блок ФАПЧ (схема блока показана на рис. 2) питается синусоидальным сигналом 70 Гц, который увеличивается до 71 Гц с 0,5 с до 1,5 с. Понятно, что здесь частота достигает новой частоты за короткое время отклика.
Блок ФАПЧ (3ф) питается трехфазными синусоидальными сигналами с частотой от 70 Гц до 71 Гц в диапазоне от 0,5 до 1,5 секунд.
Время выборки модели параметризуется с помощью переменной Ts (в данном случае выбран Ts = 50e-6, чтобы дискретизировать блок ФАПЧ).
Рис. 4. Результат моделирования, частота и фаза сигнала на выходе системы ФАПЧ
Из графиков видно, что частота ФАПЧ (3ф — трехфазный) достигает новой частоты быстрее, чем ФАПЧ, благодаря дополнительной информации о фазе. Фаза и частота, получены в результате моделирования соответствуют заданные параметры сигнала на входе схемы. Таким образом, получили применение системы ФАПЧ для отслеживания частоты и фазы сигнала.
Литература:
- Curtin M., O’Brien P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters. Analog Dialogue. 33–3, 33–5, 33–7. 1999.
- Barrett C. Fractional/Integer PLL Basics. Technical Brief SWRA029. 1999.
- T. H. Lee «Phase Locked Loop Circuits» 2014 г.
- «Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ» журнал «СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» № 6 2012 год.
- Голуб В. Система ФАПЧ и ее применения. Chip News. 2000. № 4.
- Черных И. В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем. М.: Диалог-МИФИ. 2003. 252 с.
- https://mathworks.com/help/simulink/slref/selector.html
- https://mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/threephaseprogrammablegenerator.html
