БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра РТС
РЕФЕРАТ
На тему:
«Аналого-цифровая следящая система. Цифровые временные фазовые дискриминаторы»
МИНСК, 2008
Характеристика цифровых систем
В цифровых системах радиоавтоматики обработка сигналов производится цифровыми методами, а их реализация – на элементах цифровой схемотехники.
Рассмотрим достоинства и недостатки цифровых систем.
К достоинствам можно отнести высокую технологичность настройки, высокую надежность, возможность реализации оптимальных алгоритмов обработки, достаточно низкую стоимость, гарантированную точность, стабильность параметров.
Недостатки цифровых систем связаны с дискретизацией по времени и квантованию по уровню, что приводит к возникновению шумов квантования.
Функциональная схема цифровой системы представлена на рис.1.
/>
Рис.1. Функциональная схема цифровой следящей системы:
ЦД – цифровой дискриминатор; ЦФ – цифровой фильтр; ЦГОС – цифровой генератор опорного сигнала.
Цифровые системы радиоавтоматики классифицируют по тем же признакам, что и аналоговые системы. Дополнительным признаком классификации является место аналого-цифрового преобразования. Различают системы, в которых АЦП производится вне контура регулирования и внутри его. В первом случае на дискриминатор поступают цифровые сигналы, во втором – аналоговые, при этом в дискриминаторе производится аналого-цифровое преобразование и на выходе дискриминатора формируется цифровой сигнал.
Аналого-цифровая следящая система
/>
Рис.2. Функциональная схема аналого-цифровой следящей системы.
Функциональная схема аналого-цифровой следящей системы приведена на рис.2.
Фильтр Ф ограничивает ширину спектра сигнала на выходе дискриминатора, что необходимо для дальнейшего аналого-цифрового преобразования. Основная фильтрация производится цифровым фильтром ЦФ, который позволяет обеспечить идеальное интегрирование, реализовать оптимальные алгоритмы фильтрации. Рассмотрим функции АЦП.
АЦП предназначен для преобразования напряжения, пропорционального сигналу ошибки, в цифровой код. АЦП выполняет две операции:
дискретизацию по времени, при этом U(t) – непрерывная функция преобразуется в дискретную функцию U(kT); квантование по уровню:
/>
где ΔUкв – дискрет квантования по уровню; n – число, соответствующее данному уровню.
Операция квантования по уровню и замена квантованного напряжения кодом, может быть представлена как нелинейная операция (рис.3)
/>
Рис.3.
Цифровой фильтр ЦФ преобразует последовательность чисел, поступающую на вход />, в сглаженную последовательность />. Без учета операции округления его работу можно описать разностным уравнением
/>,
где W(c) – операторный коэффициент передачи цифрового фильтра;
n(kT) – преобразованная последовательность чисел; />.
ЦАП осуществляет преобразование кода в напряжение
/>,
где ΔU – шаг преобразования, определяет приращение напряжения на выходе при изменении кода на единицу; h(t — kT) – импульсная характеристика фиксатора.
Если применяется фиксатор нулевого порядка то
/>
Процесс цифро-аналогового преобразования можно разделить на две операции:
формирование последовательности δ-функций, модулированных входным числом;
подача этих модулированных δ-функций на фильтр, реакцией которого является импульсная характеристика (весовая функция).
Все остальные элементы системы функционируют аналогично непрерывной системе.
Структурная схема аналого-цифровой следящей системы приведена на рис.4.
/>
Рис.4. Структурная схема аналого-цифровой следящей системы.
Цифровые временные дискриминаторы
При аналого–цифровом преобразовании внутри контура регулирование находит применение схема (рис.5).
/>
Рис.5. Схема временного дискриминатора.
Временные диаграммы работы схемы приведены на Рис.6.
/>
Рис.6. Временные диаграммы функционирования дискриминатора.
Если временная ошибка слежения равна нулю, то импульсы 4 и 5 будут равной длительности. Величина ошибки пропорциональна разности длительностей импульсов 4 и 5. Для преобразования ошибки в код используется генератор счетных импульсов ГСИ, формирующий частоту заполнения. На выходе реверсивного счетчика формируется код, пропорциональный разности длительностей 4 и 5, т.е. величине ошибки слежения.
Схема, используемая при аналого-цифровом преобразовании вне контура регулирования, приведена на рис.7.
/>
Рис.7. Схема дискриминатора при аналого-цифровом преобразовании вне контура регулирования: Uз – импульс запуска, привязанный по времени к излучаемому сигналу; Uу – импульс приемника.
Перед началом измерения в счетчик заносится оценка задержки, формируемая в фильтре (n1). Счетчик вычисляет разность />,
где
/>;
/>─ задержка отраженного импульса; />─ период счетных импульсов.
Задержанным импульсом, привязанным к сигналу приемника, производится считывание числа n и запись нового значения n1. Эквивалентная схема приведена на рис.10.8.
/>
Рис.8. Эквивалентная схема дискриминатора.
Цифровые фазовые дискриминаторы
Из достаточно большого количества существующих схем цифровых фазовых дискриминаторов познакомимся с двумя схемами, формирующими дискриминационные характеристики треугольной и релейной формы.
Фазовый дискриминатор (рис.9) реализован на схеме сумматора по модулю два. Временные диаграммы, поясняющие принцип формирования дискриминационной характеристики, представлены на рис.10.
/>/>
Рис.9. Схема цифрового фазового дискриминатора.
Рис.10. Временные диаграммы работы дискриминатора.
Установившемуся (синфазному) режиму соответствует постоянное фазовое рассогласование между входным и опорным сигналами, равное />, и в контрольной точке 3 длительности импульсов равны длительностям пауз. Чтобы определить разность длительностей импульсов и пауз, пропорциональную величине ошибки, эти длительности преобразуются в код путем их заполнения счетными импульсами, формируемыми генератором счетных импульсов ГСИ. Счетно-импульсный код поступает на реверсивный счетчик РСч, на выходе которого формируется код ошибки.
Эквивалентная схема приведена на рис.11. Схема состоит из двух последовательно включенных звеньев: дискретного элемента ДЭ и нелинейного звена с характеристикой n(/>).
/>
Рис.11. Эквивалентная схема цифрового фазового дискриминатора
Схема и временные диаграммы дискриминатора, формирующего характеристику релейного типа, приведены на рис.12.
/>
Рис.12. Схема и временные диаграммы функционирования цифрового фазового дискриминатора релейного типа.
Сигнал с выхода квантователя поступает на элементы “И” непосредственно и через инвертор. На другие входы элементов “И” подается последовательность коротких импульсов, следующих с частотой сигнала. В зависимости от знака рассогласования фазы между входным и опорным напряжениями на соответствующий элемент И подается высокий уровень напряжения и на его выход проходят импульсы опорного сигнала.
Формируя релейную характеристику (рис.13), дискриминатор определяет только знак фазового рассогласования.
/>
Рис.13. Характеристика дискриминатора релейного типа.
Схема дискриминатора, приведенная на рис.14 может использоваться в системах тактовой синхронизации для формирования сигнала тактовой частоты с цель определения границ элементарных посылок цифрового двоичного сигнала.
/>
Рис.14. Схема и временные диаграммы функционирования дискриминатора для системы тактовой синхронизации.
С помощью триггера Т1 регенерируется входной сигнал методом стробирования. В синфазном режиме стробирование соответствует середине элементарной импульсной посылки. Информация с Т1 записывается в Т2, таким образом, на выходе Т1 и Т2 мы имеем 2 импульсных потока сдвинутых на полтакта. С помощью схем сумматоров по модулю два определяется фазовое рассогласование (эпюры 6,7), преобразуемое в счетно-импульсный код, поступающий на реверсивный счетчик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коновалов. Г.Ф. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2000.
2. Радиоавтоматика: Учеб. пособие для вузов. / Под ред. В.А. Бесекерского. — М.: Высш. шк., 2005.
3… Первачев С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь, 2002.
4. Цифровые системы фазовой синхронизации / Под ред. М.И. Жодзишского – М.: Радио, 2000.