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:

1. Curtin M., O’Brien P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters. Analog Dialogue. 33–3, 33–5, 33–7. 1999.
2. Barrett C. Fractional/Integer PLL Basics. Technical Brief SWRA029. 1999.
3. T. H. Lee «Phase Locked Loop Circuits» 2014 г.
4. «Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ» журнал «СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» № 6 2012 год.
5. Голуб В. Система ФАПЧ и ее применения. Chip News. 2000. № 4.
6. Черных И. В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем. М.: Диалог-МИФИ. 2003. 252 с.
7. https://mathworks.com/help/simulink/slref/selector.html
8. https://mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/threephaseprogrammablegenerator.html