Для приведения системы ФАПЧ в состояние синхронизма при ограниченной полосе захвата используют также схемы поиска. Это устройства, которые при отсутствии захвата частоты ГУН генерируют сигнал, изменяющий частоту ГУН в пределах его полного частотного диапазона. При попадании частоты ГУН в область захвата поиск прекращается, и система переходит в режим удержания заданной частоты сигнала.
По типу схемного решения и принципу действия схемы поиска бывают:
– аналоговыми или цифроаналоговыми – в зависимости от используемой элементной базы;
– с фиксацией уровня или без – в зависимости от того, остаётся ли уровень напряжения на её выходе после вхождения ФАПЧ в синхронизм, или же исчезает;
– «умными» или «неумными» – в зависимости от направления поиска в момент старта: сразу ли поиск движет частоту к захвату или же из двух возможных направлений начальное оказывается случайным и неправильным, а правильное происходит на следующей ветви напряжения поиска с инверсной крутизной;
– с отдельным генератором поискового напряжения, или же используется элемент петли в определённом режиме.
Конкретная схема поиска может иметь некоторую комбинацию этих свойств. Ниже рассмотрим два варианта схем. Первая из них наиболее простая – аналоговая, без фиксации уровня, «неумная» и с УПТ с положительной обратной связью в качестве генератора поискового напряжения. Вторая более сложная – цифроаналоговая, с фиксацией уровня, «умная» и с цифроаналоговым преобразователем в качестве исполнительного элемента.
4.7.1. Аналоговая схема поиска
Одна из схем такого типа рассмотрена в источнике [10]. Она содержит мультивибратор со сглаживающим фильтром, генерирующий напряжение поиска, суммируемое, во время поиска, с напряжением с выхода фазового детектора. Колебания в мультивибраторе срываются, за счёт действия отрицательной обратной связи по петле ФАПЧ при вхождении системы в синхронизм на заданной частоте, найденной поиском. Известна также схема на основе триггера Шмидта [2].
Интересна сама идея, лежащая в основе подобных схем. Она заключается в том, что в систему ФАПЧ включается неустойчивое звено, режим генерации в котором возможен лишь при разрыве в основной петле ФАПЧ, что фактически и происходит, когда петля не находится в состоянии синхронизма. Подходя с таких общих позиций к подобного рода системам, нетрудно придти к выводу, что совершенно необязательно вводить в систему специальную схему, как, к примеру, это сделано в упомянутых источниках. Достаточно ввести положительную обратную связь в усилителе постоянного тока (УПТ) [11], как правило, присутствующим в системе. Такая схема показана на рисунке 4.8.
Рис.4.8. Аналоговая схема поиска
Если рассматривать область параметров, в которой полоса захвата з меньше полосы удержания. у, то при начальной расстройке н, лежащей в пределах з н у схема оказывается неустойчивой в большом, и синхронизм в таком случае невозможен. Через фильтр Ф осуществляется положительная обратная связь в УПТ. Глубина обратной связи на некоторой частоте Ω0 превышает критическую, и возникающие при этом в УПТ колебания перестраивают ГУН, вводя его частоту в полосу захвата. После захвата частоты автоколебания в УПТ гасятся значительно более глубокой отрицательной обратной связью по петле ФАПЧ.
Пример схемы УПТ с фильтром Ф, в качестве которого используется мост Вина, показан на рисунке 4.9.
Рис.4.9. УПТ с мостом Вина
Максимальное время Tmax на поиск частоты захвата определяется генерируемой в схеме частотой F0, а именно:
Tmax=2/F0
Частота F0 должна быть достаточно низкой по сравнению с полосой пропускания ФАПЧ, чтобы введенная в УПТ положительная обратная связь не влияла существенно на устойчивость и фильтрующие свойства петли ФАПЧ.
Согласно с приведенной в начале данного раздела классификацией рассмотренную схему можно назвать «неумной», поскольку она не имеет знака частотного рассогласования и потому может стартовать в неправильном направлении, удаляя частоту ГУН от области захвата, и только на следующем полупериоде поиска направление окажется правильным. Понятно, что этот фактор даёт двукратное удлинение процесса поиска.
Другая особенность схемы заключается в том, что уровень поискового напряжения не фиксируется. После захвата частоты напряжение поиска пропадает, и функция удержания найденной частоты полностью переходит к фазовому детектору. Это значит, что в режиме удержания используется вся протяжённость характеристики фазового детектора. Крутизна же её при удалении от центра может быть значительно пониженной (например, при синусоидальной её форме), из-за чего необходимо вводить дополнительный запас устойчивости ФАПЧ, учитывающий изменения этой крутизны, что приводит к ухудшению динамики системы.
Более основательный анализ этой схемы выполнен в работе [11], а в работе [12] описана практическая ее реализация в одной из разработок синтезатора частоты.
4.7.2. Цифроаналоговая схема поиска
Схема поиска, совместно с петлёй ФАПЧ, показана на рисунке 4.10.
Рис.4.10. Цифроаналоговая схема поиска
В неё входят частотный различитель (ЧР), реверсивный счётчик (РС) и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Частотный различитель вырабатывает знак рассогласования между опорной Fr и сигнальной (подстраиваемой) Fc частотами, и этот знак в виде логического уровня 0 или 1 передаётся на реверсивный счётчик, задавая ему направление счёта. Счётчик тактируется импульсами опорной частоты Fr. Цифровой код с выхода счётчика преобразовывается в ЦАП в его аналоговый эквивалент – напряжение, суммируемое с напряжением фазового детектора (ФД), и суммарный сигнал через фильтр нижних частот (ФНЧ) и усилитель постоянного тока (УПТ) поступает к генератору, управляемому напряжением (ГУН). В качестве частотного различителя ЧР может использоваться цифровая часть ЧФД (без схемы накачки заряда). Пояснения к блокам РС и ЦАП не требуются, их устройства хорошо известны.
Данную схему поиска можно считать «умной», поскольку при отсутствии синхронизма в петле ФАПЧ она продвигает частоту ГУН в правильном направлении, приближая её к области захвата. После установления синхронизма напряжение поиска не исчезает, и его уровень фиксируется. Благодаря этому, когда после захвата частоты функция управления частотой переходит к фазовому детектору, он работает в середине его характеристики, где её линейность наиболее высока. Чем больше отношение полосы удержания к полосе захвата, тем ближе к центру рабочая точка на характеристике ФД. Также, благодаря фиксации уровня поиска, полосу удержания частоты в фазовом канале (суть коэффициент усиления ФД), можно выбирать независимо (в сторону уменьшения) от диапазона перестройки ГУН. Полоса удержания может быть значительно меньшей этого диапазона, что позволяет оптимизировать параметры системы ФАПЧ. Легко управлять скоростью поиска путём выбора коэффициента деления входных частот, опорной и сигнальной, а также изменением разрядности реверсивного счётчика (РС). С примером практического использования такой схемы можно ознакомиться, из статьи [13].
На рисунке 4.11 показан возможный вариант реализации такой схемы.
Рис.4.11. Детальная схема поиска
На входах схемы присутствуют делители частоты c одинаковыми коэффициентами деления L, величина которых устанавливается по шине if от интерфейса и задаёт скорость поиска. В данном примере L=4. От переднего фронта импульсов Fr срабатывает D-триггер FF1, от заднего фронта – D-триггер FF2. Далее следуют формирователи коротких импульсов на RS-триггерах FF3 и FF4 для работы RS-триггера FF5. Элементами И и ИЛИ формируются счётные импульсы для работы реверсивного счётчика РС. Знак направления счёта формируется с помощью последовательно включённых элемента И, RS-триггера FF6 и мультиплексора МХ. В зависимости от полярности управляющей характеристики ГУН (напряжение-частота) «Знак» может быть инвертирован командой if от интерфейса, подаваемой на управляющий вход мультиплексора.
На рисунке 4.12 приведены диаграммы, поясняющие работу схемы при различных соотношениях входных частот, опорной Fr и сигнальной Fc: A – Fc> Fr; B – Fc <Fr и C – Fc=Fr (два случая при разных начальных условиях).
Рис.4.12. Диаграммы, поясняющие работу схемы поиска
Требования к точности ЦАП невысоки. Он может быть выполнен на простой резистивной матрице R2R-типа. Вопрос исключения пропусков частоты при поиске из-за неточности старших разрядов ЦАП решается введением предискажения характеристики поиска. Неточность старших разрядов ЦАП может привести к нежелательному виду характеристики, как показано на фрагменте A рисунка 4.13.
Рис.4.13. Устранение пропусков частоты при неточном ЦАП
Так получается в случае, когда величина ступени некоторой группы старших разрядов ЦАП, заполняемой вкладом группы младших разрядов, превышает номинальное значение. В результате на участке a-b оказывается разрыв в напряжении поиска, который в свою очередь приводит к пропуску искомой частоты.
Устранить такую ситуацию можно путём построения ЦАП как показано на схеме B того же рисунка. В качестве примера приведен 12-разрядный ЦАП, состоящий из 6 старших и 6 младших разрядов. Резистор R*, сопрягающий группу младших разрядов с группой старших разрядов, выбирается меньшим номинального значения на величину максимальной погрешности ступеней в группе старших разрядов. На участках с погрешностью старших ступеней меньшей максимальной поиск выглядит как показано на фрагменте C. В таких случаях переход из точки a в точку b сопровождается повторением участка c-a, что несколько, но незначительно, замедляет процесс поиска.