22 февраля 2016г.
В работе рассматривается система ФАПЧ, функционирующая в условиях больших возмущений. В контур фазовой системы включен цифровой делитель с переменным коэффициентом деления, а опорный сигнал формируется путем деления частоты сигнала автогенератора с кварцевой стабилизацией частоты. На основе такой фазовой системы строятся цифровые синтезаторы частоты (ЦСЧ).
Проведем анализ системы ФАПЧ, функционирующей при большой положительной начальной расстройке. Пусть на систему воздействовало кратковременное (импульсное) возмущение высокой интенсивности, которое вызывало значительную расстройку по частоте, знак которой противоположен знаку начальной расстройки. Поскольку мгновенная расстройка по частоте отрицательна, возникает набег фаз отрицательного знака. Процессы в этом конкретном случае представлены фазовым портретом, показанном на Рисунке 1. Этот фазовый портрет, отражает процессы в ЦСЧ [1], в котором реализован принцип управления процессами в критических режимах, изложенный в [2]. В упомянутом синтезаторе частот используется управляемая взаимная синхронизация работы делителей частоты, что значительно уменьшает время выведения контура из критического режима. На Рисунке 1 фазовая траектория от точки 01, принадлежащей инвариантному многообразию ΩZ1, до точки «а» отражает процесс выхода системы из равновесного состояния, вызванный кратковременным большим возмущением. В точке «а», соответствующей сдвигу фаз (-π), проявляется признак кризисного развития переходного процесса. Движение от точки «а» до точки «б» происходит при одновременном управлении частотой управляемого генератора и взаимной синхронизации работой делителей частоты. Поскольку точка «б» не принадлежит инвариантному многообразию области ΩZ2, то в автономном режиме системы эта точка переходит из точки «б» в точку «с» (набег фаз составляет 2π). Затем, как показано на Рисунке 1, точка «с» по траектории, близкой к вертикальной, переходит в область ΩZ1, внутренней точкой которой является точечный аттрактор 01.
Если был бы известен
знак начальной расстройки по частоте, то, начиная
с точки «б», фазовую
траекторию можно было изменить так, чтобы она была направлена к инвариантному многообразию ΩZ2, внутренней точкой
которой является точечный аттрактор
02 (см. Рисунок 1). Таким образом, если знаки
начальной и мгновенной расстроек
по частоте разные,
то происходит затягивание времени
пребывания системы в критическом режиме.
В системах
ФАПЧ с помощью фазовых дискриминаторов осуществляется наблюдение
за разностью фаз в системе. На основании этих наблюдений можно получить сведения
о мгновенной расстройке по частоте, но в переходном процессе не представляется возможным
определить не только величину,
но и знак начальной расстройки по частоте.
Поэтому необходимо искать
другие пути определения знака начальной расстройки по частоте. Трудности решения
этой задачи состоят
в том, что величина и знак начальной расстройки зависят, кроме всего прочего, от дестабилизирующих факторов. Начальная расстройка определяется выражением
Ωн = Ωог − Ωуго
где Ωуго – частота
управляемого автогенератора, приведенная ко входу фазового дискриминатора, при нулевом значении
управляющего напряжения.
В ЦСЧ частота УГ зависит от коэффициента деления М ДПКД, изменяемого в широких приделах.
Кроме того, частота Ωугоможет значительно изменятся
при изменении в широких приделах
температуры, влажности окружающей среды и питающего напряжения.
Предпосылкой успешной реализации дуального управления (когда в управляющих воздействиях содержатся компоненты, познающие объект управления) является
то, что применение операции управляемого сброса делителей частоты
позволяет за время,
равное одному периоду
дискретизации, определить, частота
какого сигнала
имеет большую или меньшую величину, т.е. знак частотной расстройки. Частота опорного сигнала в ЦСЧ стабилизирована
кварцевым резонатором и поэтому практически не изменится.
Алгоритм дуального управления может быть следующим. На этапе реализации принципа управления (см. Рисунок 1 отрезок а-б фазовой траектории) на управляющий вход УГ вместо
выходного напряжения ФНЧ необходимо подать нулевое управляющее воздействие. При этом частота этого автогенератора станет
равной Ωуго. Поэтому следующая операция, которую необходимо выполнить, состоит
в определении знака начальной расстройки по частоте 
Эту операцию можно выполнить
за один период дискретизации, если использовать сброс делителей частоты. Знак мгновенной расстройки
по частоте необходимо сравнить со знаком начальной расстройки по частоте и, если они разные, то это необходимо
зафиксировать. После этого необходимо произвести восстановление связи выхода ФНЧ с управляющим входом УГ. Когда произойдет изменение
знака мгновенной расстройки по частоте (см. на Рисунке
1 точку «б»), то при
различии знаков мгновенной и начальной расстроек по частоте необходимо произвести повторную реализацию принципа управления, но теперь с реверсированным
управляющим воздействием. Это, как ранее отмечалось, приведет изображающую точку в инвариантное многообразие Ωz2, внутренней точкой которого является точечный
аттрактор О2 (см. Рисунок 1). Если знаки мгновенной и начальной расстроек
по частоте одинаковы, то реверсирование управления не производится, и процессы в системе протекают как в ЦСЧ, как в [1].
Фазовый портрет процессов в цифровом синтезаторе частот [3] имеет вид, представленный на Рисунке 2. Из Рисунка
2 видно, что в точке «б» произошло реверсирование управляющего воздействия, поэтому изображающая точка вернулась в область
Ωz2, внутренней точкой которой
является точечный
аттрактор О2.
Структурная схема цифрового синтезатора частоты [3], представлена на Рисунке
3. В сравнении со структурной схемой
системы ФАПЧ с взаимосодействующим функционированием элементов
фазового контура и цепи формирования опорного
сигнала, в ней дополнительно использованы анализаторы разности частот (АРЧ), блок управляющих сигналов
(БУС) и коммутатор (К). В блоке АРЧ происходит анализ мгновенной
и начальной расстроек по частоте и формирование команды
на реверсирование управляющего воздействия в случае,
когда знаки этих расстроек разные. В БУС формируются все необходимые управляющие сигналы,
в том числе и обеспечивающие определение знака начальной расстройки по частоте. Коммутатор (К) предназначен для отключения на короткое
время управляющего входа УГ от выхода ФНЧ и подключения к этому входу нулевого сигнала с выхода БУС для определения знака
начальной расстройки по частоте.
Можно отметить, что синтезатор частот,
представленный на Рисунке 3, более приемлем
при, высокой вероятности больших кратковременных возмущениях, что сделает возможным различение знаков мгновенной и начальной расстроек по частоте.
Список литературы
1.
А.с. 555534 (СССР).
Синтезатор частот / Ю.А. Геложе. – Опубл.
1977 Бюл. №15.
2.
Ю.А. Геложе, П.П. Клименко. Управление процессами в нелинейных системах.
- М.: Радио и связь, 2006.
3.
А.с. 987818 (СССР).
Синтезатор частот/Ю.А. Геложе, А.А. Кибирев.
–Опубл. 1983. Бюл. №1.
