Структурная схема устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) непрерывного типа соответствует обобщенной схеме АПЧ, приведенной на рис. 2. В ней в качестве звена сравнения применяется фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого зависит от мгновенной разности фаз входных сигналов. Таким образом, единственное отличие ФАПЧ от ЧАПЧ состоит в замене сравнивающего элемента – частотного дискриминатора на фазовый, что, однако, приводит к важным изменениям в работе устройств. Известны несколько схем фазовых дискриминаторов, одна из которых - кольцевого типа - изображена на рис. 10. Все остальные звенья схемы ФАПЧ идентичны рассмотренным выше звеньям ЧАПЧ.

Рис. 10 – Схема фазового дискриминатора кольцевого типа

Фазовый дискриминатор, вырабатывающий напряжение, зависящее от разности мгновенных фаз входных колебаний, можно рассматривать как перемножитель этих колебаний. Докажем данное положение.

Перемножим два колебания:

                (4)

После фильтрации колебания с суммарной частотой получим выходной сигнал, зависящий от разности фаз входных сигналов:

        (5)

Рассмотрим установившийся режим работы ФАПЧ, приняв во внимание два обстоятельства. Во-первых, поскольку в этом режиме напряжение на выходе фильтра нижних частот равно входному напряжению, то справедливо следующее равенство: u _ф.д. = u _у, где u _ф.д.- напряжение на выходе фазового дискриминатора, u _у - напряжение на входе управляющего элемента (рис. 11). Во-вторых, в нормально функционирующей ФАПЧ должна устанавливаться постоянная разность фаз сигналов стабилизируемого и эталонного АГ:

что означает равенство частот этих колебаний: f _ст ( t )= f _эт ( t ), или выполнение равенства: D f _ст = D f _н – D f _у =0, т.е. D f _у = D f _н.

Рис. 11 – Установившийся режим работы ФАП

С учетом последних соотношений для ФАП в установившемся режиме справедлива следующая система из двух уравнений:

                   (6)

Решим уравнения (6) графическим путем (рис. 12). Здесь возможны три случая:

1) графики функций пересекаются во множестве точек;

2) график второй функции (6) является касательной по отношению к первой;

3) графики не имеют ни одной точки пересечения.

Рис. 12 – Графическое решение уравнения (6)

Очевидно, в 3-м случае, при котором нет точек пересечения графиков, система уравнений (6) не имеет решения, что означает неработоспособность ФАПЧ. В 1-м случае есть множество точек пересечения графиков – по две на каждый период, - и, следовательно, ФАПЧ должна нормально функционировать. Следует рассматривать 2-й случай как крайний случай 1-го, при котором начальная расстройка D f _н стабилизируемого АГ может быть максимальна. Такое максимальное значение D f _н , в установившемся режиме называется полосой удержания, для которой согласно (6) получим:

.                            (7)

Из проведенного анализа следует, что преимущество ФАПЧ перед ЧАПЧ состоит в ее более высокой точности: в ФАПЧ частоты стабилизируемого и эталонного автогенераторов равны, в ЧАПЧ они отличаются на величину остаточной расстройки D f _о.р. Для обеспечения большой полосы схватывания и высокой точности применяют комбинированные схемы ЧАПЧ - ФАПЧ.

Цифровой синтезатор частот

Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частоты приведена на рис. 13.

Рис. 13 – Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частот

Данная схема соответствует общей схеме автоматической подстройки частоты (рис. 2), если под преобразователями частоты следует понимать делитель в М раз частоты опорного генератора и делитель в N раз частоты стабилизируемого генератора, а под звеном сравнения - импульсно-фазовый дискриминатор. На схеме ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления - К-разрядный программируемый цифровой счетчик. Назначение других звеньев схемы ясно из сделанных на них надписей. В блоке управления осуществляется прием и хранение данных программирования и формирование кодового сигнала, по которому устанавливается значение коэффициента деления N в зависимости от поступившей на синтезатор команды.

В результате действия фазовой автоподстройки частоты устанавливается равенство частот сигналов, поступающих на вход импульсно-фазового дискриминатора: f ₁ = f ₂, что позволяет записать следующее соотношение для частот стабилизируемого и эталонного автогенераторов с учетом значений коэффициентов деления:

.                       (7)

Согласно (7) шаг сетки частот D f _ш = f _эт /М. Меняя управляемое значение N, устанавливают требуемое значение частоты стабилизируемого генератора, который с помощью управляющего элемента может перестраиваться в требуемом диапазоне частот.

Пример. Требуется создать синтезатор с диапазоном частот 118…136 МГц и шагом Df_ш=25 кГц. Выбираем частоту кварцевого автогенератора f_эт=1 МГц. Отсюда требуемое значение М=1000/25=40.Согласно (7) для нижней частоты 118 МГц следует иметь: N₁ = 118000/25=4720, для верхней частоты N₂=136000/25=5440. Следовательно, с помощью ДПКД - цифрового счетчика - следует обеспечить изменение коэффициента деления N через 1 в пределах 4720…5440. Современные синтезаторы частот строятся на основе одной большой микросхемы, в которую объединяются все звенья схемы, приведенные на рис. 13, за исключением управляемого по частоте стабилизируемого автогенератора.