2. Процесс захвата частоты

Когда внешний опорный сигнал поступает на фазовый компаратор (см. рис. 3.22, а), он объединяется с выходным сигналом ГУН . Сначала частоты этих двух сигналов не равны ( ). Поскольку фазовый компаратор — устройство нелинейное, то внешний сигнал и сигнал с выхода ГУН при сравнении создают комбинационные частоты (т.е. суммарные и раз­ностные частоты). Поэтому на выходе фазового компаратора присутствуют в первую очередь: внешняя опорная частота f_i, частота с выхода ГУН f₀, их сумма (f₀+f_i,) и разность (f₀-f_i).

Фильтр нижних частот подавляет входные частоты f_i и f₀, а также их суммарную частоту f₀+f_i . Таким образом, на выходе ФНЧ присутствует един­ственный сигнал — относительно низкая разностная частота fd =fo- fu, кото­рую называют частотой биений. Сигнал биений усиливается, а затем поступает на вход ГУН, изменяя выходную частоту ГУН пропорционально величине и полярности своего напряжения. Поскольку выходная частота ГУН изменяет­ся, амплитуда и частота сигнала биений также пропорционально изменяется. На рис. 2б, показан сигнал биений f_d, полученный в результате его же воздей­ствия на ГУН. После определенного числа циклов подстройки выходная частота ГУН становится равной внешней опорной частоте и, как говорят, происходит захват частоты системой ФАПЧ. Как только захват частоты произошел, ча­стота биений на выходе ФНЧ становится равной 0 Гц (напряжение постоянного тока), а его величина и полярность будут пропорциональны разности фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Напряжение постоянно­го тока обеспечивает входное смещение для ГУН, поддерживая режим слежения частоты внешнего сигнала.

В сущности, пока захват частоты не произошел, фазовый компаратор ра­ботает как частотный компаратор, и только после захвата (нулевые биения) он становится фазовым компаратором. После захвата частоты величина сдвига фаз между внешним опорным сигналом и выходной частотой ГУН конвертируется в фазовом компараторе в постоянное напряжение смещения u_d, фильтруется усиливается, а затем поступает обратно в ГУН, где поддерживает процесс слежения частоты (режим синхронизма). Следовательно, для поддержания режима синхронизма необходимо поддерживать сдвиг фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Время, требуемое для достижения режима удержания, называют временем захвата или временем вхождения в синхронизм.

Рис. 2. Работа системы ФАПЧ: а) - структурная схема. б) – сигнал частоты биений.

3. Полоса захвата и удержания петли фапч

Полоса захвата и полоса удержания, отслеживания — это два ключевых параметра системы ФАПЧ, которые характеризуют её рабочий диапазон частот.

3.1. Область захвата

Область захвата определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН f_n, в котором система ФАПЧ в состоянии произвести захват частоты и войти в синхронизм с внешним входным сигналом. В зависимости от конструкции системы ФАПЧ, ширины полосы пропускания фильтра нижних частот и усиления петли обратной связи, область захвата находится как правило, в диапазоне между 0.5f_n и 1.7f_n. Иногда область захвата называют областью вхождения в синхронизм.

Полоса захвата частоты — полосы частот захвата слева или справа от опорной частоты, ко­торые, как правило, симметричны (т. е. область захвата в 2 раза шире полосы захвата частоты). Область захвата и полосы захвата показаны в форме частот­ной диаграммы на рис. 3. Самая низкая частота, на которой система ФАПЧ может произвести захват, называется нижним пределом захвата f_cl, а самая вы­сокая частота — верхним пределом захвата f_cu.

Рис. 3. Область захвата час­тоты системы ФАПЧ