Двухкольцевые системы автоматической подстройки частоты


Скачать 85,43 Kb.
PDF просмотр
НазваниеДвухкольцевые системы автоматической подстройки частоты
Терещенко Станислава Витальевна
Дата конвертации25.09.2012
Размер85,43 Kb.
ТипАвтореферат
СпециальностьРадиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
Год2012
На соискание ученой степениКандидат <> технических наук

На правах рукописи 
 
 
 
 
 
 
Терещенко Станислава Витальевна 
 
 
 
 
 
ДВУХКОЛЬЦЕВЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ  
ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ  
 
 
Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы 
и устройства телевидения 
 
 
 
 
 
 

А в т о р е ф е р а т  
диссертации на соискание ученой степени кандидата 
технических наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                   Москва   2012 



Работа  выполнена  на  кафедре  радиопередающих  устройств  ФГБОУ  ВПО 
«Московский  государственный  технический  университет  радиотехники, 
электроники и автоматики». 
 
 
 
Научный руководитель: 
доктор технических наук, профессор  
Каганов Вильям Ильич 
 
Официальные оппоненты: 
доктор технических наук, профессор  
Мартиросов Владимир Ервандович 
 
доктор технических наук, профессор 
Шахтарин Борис Ильич 
 
Ведущая организация: 
ОАО «Московский научно-
исследовательский институт радиосвязи» 
 
 
 
Защита  состоится «18» мая 2012 года  в 15.00 на  заседании 
диссертационного  совета  Д212.131.01  в  ФГБОУ  ВПО  «Московский 
государственный  технический  университет  радиотехники,  электроники  и 
автоматики» (МГТУ  МИРЭА)  по  адресу: 119454, Москва,  проспект 
Вернадского, д.78. 
 
 
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА. 
 
 
Автореферат разослан «____» _____________ 2012 г. 
 
 
 
Учёный секретарь диссертационного   
совета Д212.131.01 
Стариковский А.И. 
к.т.н., доцент 
 
 
 
 
 
 


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 
 
Актуальность работы. Устройства автоматического регулирования 
широко применяются в различных радиотехнических системах для стаби-
лизации  и  управления  частотой  автогенератора  по  эталонному  сигналу. 
Примером  являются  спутниковые  системы  определения  местоположения 
объектов,  системы  гражданской  и  военной  радиолокации,  системы  под-
вижной радиосвязи. 
Важность  исследования  и  проектирования  оптимальных  систем  ав-
томатической  подстройки  частоты  (сокращенно  АПЧ)  заключается  в  том, 
что  ее  параметры  и  характеристики  в  значительной  степени  определяют 
эффективность работы радиотехнической системы в целом. К разнообраз-
ным  требованиям,  предъявляемым  к  системам  АПЧ,  относятся:  точность, 
полосы захвата и удержания, динамическая устойчивость, быстродействие 
и  помехоустойчивость.  Выполнение  этих  требований  носит,  как  правило, 
противоречивый  характер.  Так,  например,  повышение  быстродействия 
приводит  к  снижению  динамической  устойчивости  и  помехозащищенно-
сти системы. 
Для  получения  высоких  показателей  по  всем  параметрам  применя-
ются двухкольцевые системы АПЧ. В них первое – широкополосное коль-
цо – обеспечивает большую полосу захвата, а второе – узкополосное – по-
зволяет  получить  необходимую  точность.  При  этом  в  первом  кольце,  как 
правило,  используется  частотная  автоподстройка  частоты  (сокращенно 
ЧАП)  с  широкополосным  дискриминатором;  во  втором  кольце – система 
ЧАП с узкополосным дискриминатором или, когда требуется более высо-
кая  точность,  система  фазовой  автоподстройки  частоты  (сокращенно 
ФАП). В результате выполнение противоречивых требований может быть 
функционально разделено между обоими кольцами. 
Приведем два типичных примера использования двухкольцевых сис-
тем  АПЧ.  Первый  пример  –  применение  системы  ЧАП-ФАП  в  доплеров-
ских системах измерения скорости подвижных объектов путем высокоточ-
ного  слежения  за  изменяющейся  текущей  фазой  или  частотой  принимае-
мого сигнала на фоне шумовой помехи. При этом параметры цепи частот-
ного  управления  выбираются  так,  чтобы  колебания  стабилизируемого  ге-
нератора  отслеживали  медленные  изменения  частоты  принимаемого  сиг-
нала  и  возможно  слабо  реагировали  на  быстрые  изменения  частоты,  обу-
словленные действием шума. 
Второй пример – применение двухкольцевых систем АПЧ, в частно-
сти ФАП-ФАП, в синтезаторах при формировании высокостабильной сет-
ки частот. При этом благодаря АПЧ помимо синтеза частот обеспечивается 
низкая спектральная плотность фазовых шумов формируемого сигнала. 


В известных работах исследование систем АПЧ обычно ограничива-
ется системами не выше третьего порядка. Однако во многих случаях, осо-
бенно  при  применении  двухкольцевых  систем  АПЧ,  требуется  провести 
анализ как линейных, так и нелинейных моделей более высокого порядка, 
что возможно только при помощи компьютерного моделирования. В зави-
симости от области применения и вида сигнала в цепи управления системы 
АПЧ  могут  быть  непрерывного,  импульсного  и  цифрового  типа.  Теория 
работы таких систем, особенно с учетом воздействия помех, и создание на 
ее основе инженерных методик их компьютерного проектирования до сих 
пор не является завершенной.  
В связи с вышесказанным в диссертационной работе рассмотрены во-
просы моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации двухкольце-
вых  систем  АПЧ  с  помощью  современных  компьютерных  программ.  При 
этом исследованы как линейные, так и нелинейные двухкольцевые системы 
АПЧ трех основных типов: аналогового, импульсного и цифрового.  
Разработанный  в  рамках  диссертационной  работы  целый  комплекс 
компьютерных  программ  и  проводимое  на  их  основе  моделирование  по-
зволяют  исследовать  влияние параметров звеньев  системы АПЧ на ее ос-
новные характеристики и наглядно представить в виде таблиц и графиков 
динамические  процессы,  протекающие  в  двухкольцевых  системах  АПЧ 
различного  типа  и  назначения.  В  результате  удалось  расширить  круг  ре-
шаемых  задач  в  области  радиоэлектронных  систем  автоматического 
управления, особенно при рассмотрении более сложных, нелинейных сис-
тем, в том числе систем с использованием активных и цифровых фильтров. 
Разработанные компьютерные методы моделирования, анализа, рас-
чета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ и полученные на их осно-
ве результаты можно распространить  на более  широкий класс радиоэлек-
тронных  систем  автоматического  регулирования.  Сказанное  позволяет 
считать настоящую диссертационную работу актуальной. 
 
Целью диссертационной работы является разработка эффективных 
методов  моделирования,  анализа,  расчета  и  оптимизации  двухкольцевых 
систем  АПЧ  непрерывного,  импульсного  и  цифрового  типа  на  основе  со-
временных компьютерных программ в средах Mathcad и Matlab и исполь-
зование  этих  программ  при  инженерном  проектировании  радиотехниче-
ских устройств. 
 
Задачи диссертационной работы. 
Для достижения указанной цели 
в работе решаются следующие задачи: 
1.  Разработка  алгоритмов  и  компьютерных  программ  для  расчета 
динамических процессов и основных характеристик аналоговой двухколь-


цой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей. 
2.  Разработка  алгоритмов  и  компьютерных  программ  для  расчета 
динамических  процессов  и  основных  характеристик  импульсной  двух-
кольцой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей. 
3.  Разработка  алгоритмов  и  компьютерных  программ  для  расчета 
динамических  процессов  и  основных  характеристик  цифровой  двухколь-
цевой системы АПЧ. 
4.  Исследование  аналоговых,  импульсных  и  цифровых  двухкольце-
вых систем АПЧ с активными фильтрами высокого порядка. 
5.  Разработка алгоритмов и компьютерных программ для проведения 
анализа помехоустойчивости двухкольцевой системы АПЧ при действии де-
терминированной и стационарной случайной внутренней и внешней помехи. 
 
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссерта-
ционной  работе  использовались:  численные  методы  решения  нелинейных 
дифференциальных уравнений высокого порядка; теория случайных процес-
сов; теория автоматического управления; методы анализа линейных и нели-
нейных, аналоговых, импульсных и цифровых радиотехнических цепей.  
 
Научная новизна работы заключается в следующем: 
1.  В развитии комплексного подхода к исследованию динамических 
процессов в радиоэлектронных системах автоматического регулирования с 
помощью комплекта компьютерных программ в средах Mathcad и Matlab. 
2.   В развитии комплексного подхода к исследованию помехоустой-
чивости  систем  автоматического  регулирования  при  действии  внешней  и 
внутренней детерминированной и случайной стационарной помехи. 
3.  В предложении по использованию в системе ЧАП-ФАП эллипти-
ческого фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ кольца ФАП, что позволяет 
в целом оптимизировать систему по таким параметрам, как полоса захвата 
и помехоустойчивость. 
4.   В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютер-
ных программ исследования динамических процессов и расчета основных 
характеристик в рамках линейной и нелинейной модели аналоговой двух-
кольцевой системы АПЧ. 
5.  В  разработке  новых  алгоритмов  и  соответствующих  компьютер-
ных программ исследования динамических процессов и расчета основных 
характеристик в рамках линейной и нелинейной модели импульсной двух-
кольцевой системы АПЧ. 
 
Основные положения, выносимые на защиту: 
1.  Обоснована  целесообразность  построения  двухкольцевых  систем 


АПЧ, в которых осуществляется перемножение коэффициентов регулиро-
вания. При таком построении системы АПЧ одно кольцо обеспечивает уве-
личенную до двух и более раз полосу захвата, а другое – точность. В вари-
анте  ЧАП-ЧАП  точность,  определяемая  остаточной    расстройкой,  может 
быть улучшена не менее чем в 100 раз. 
2.  Предложено применение эллиптического фильтра в качестве пет-
левого фильтра системы АПЧ, позволившее повысить помехоустойчивость 
на 12 и более децибел к внешней и внутренней детерминированной и ста-
ционарной случайной помехе. 
3.  Разработанные  алгоритмы  компьютерного  анализа  и  расчета  для 
аналоговой  и  импульсной  двухкольцевых  систем  АПЧ  позволили  опреде-
лить их быстродействие, точность оценки параметра и устойчивость. 
 
Практическая ценность. Разработанные универсальные алгоритмы и 
расчетные  программы  в  средах Mathcad и Matlab являются  эффективным 
инструментом для моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации 
аналоговых, импульсных и цифровых двухкольцевых систем АПЧ. Предло-
женные алгоритмы и комплекс компьютерных программ позволяют в значи-
тельной степени сократить объем работы и время проектирования и оптими-
зации систем АПЧ по сравнению с общеизвестными методами, особенно в 
тех  случаях,  когда  рассматриваются  системы  высокого  порядка.  Наиболь-
шую практическую ценность указанные алгоритмы и расчетные программы 
могут принести при проектировании и оптимизации систем АПЧ в приемно-
передающих  трактах  спутниковых  радионавигационных  систем,  например, 
ГЛОНАСС, и систем гражданской и военной радиолокации. 
Проведенные  испытания  подтвердили  на  практике,  что  использова-
ние в двухкольцевых системах АПЧ эллиптического фильтра 3-го порядка 
в качестве ФНЧ в узкополосном кольце позволяет повысить помехоустой-
чивость системы в целом. 
 
Следует также отметить, что разработанные алгоритмы и расчетные 
программы для двухкольцевых систем АПЧ могут быть использованы для 
расчета и исследования других систем автоматического регулирования. 
 
Результаты работы внедрены:  


в 
разработку 
абонентской 
навигационной 
аппаратуры 
ГНОНАСС/GPS  в  ОАО  «Научно-исследовательский  институт  космиче-
ского приборостроения» (имеется акт о внедрении);  
-  в  разработку  опытно-конструкторских  образцов  быстродействую-
щих малошумящих синтезаторов частот и производство систем «Перспек-
тива» в ОАО «Концерн «Созвездие» (имеется акт о внедрении);  
- в учебный процесс по курсу «Радиоавтоматика» на кафедре «Радио-


передающих  устройств»  ФГБОУ  ВПО  «Московский  государственный 
технический  университет  радиотехники,  электроники  и  автоматики» 
(имеется акт о внедрении). 
 
Апробация  работы.  Материалы  диссертации  обсуждались  и  полу-
чили одобрение на следующих научно-технических конференциях:  
1.  58-я  научно-техническая  конференция  МИРЭА,  май 2009г. 
«Двухкольцевая автоматическая подстройка частоты». 
2.  59-я  научно-техническая  конференция  МИРЭА,  май 2010г. «Им-
пульсная двухкольцевая система автоматической подстройки частоты». 
3.  Международная  научная  школа  для  молодежи  «Микроэлектрон-
ные  информационно-управляющие  системы  и  комплексы», 26-30 октября 
2010г.,  г.  Зеленоград. «Моделирование  двухкольцевой  системы  автомати-
ческой подстройки частоты в среде Matlab». 
4.  Международная  научно-практическая  конференция  «Современ-
ные вопросы науки – XXI век». 29 мая 2011г., г.Тамбов. «Импульсные сис-
темы автоматического регулирования». 
5.  60-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2011г. «Циф-
ровая двухкольцевая система автоматической подстройки частоты». 
6.  Международная заочная научно-практическая конференция «Теоре-
тические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке». 31 января 
2012г., г.Тамбов. «Цифровая система автоматического регулирования». 
 
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 работ, 4 
из  которых  в  изданиях  Перечня  ВАК, 3 работы  в  трудах  международных 
НТК, 2 в других научных изданиях. 
 
Структура  и  объем  работы.  Диссертационная  работа  состоит  из 
введения,  пяти  глав,  заключения,  восьми  приложений  и  списка  литерату-
ры. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстри-
рована 37 рисунками, список литературы включает 48 наименований. 
 
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 
 
 
Во введении определяется научная проблематика и обосновывается 
ее  актуальность.  Определена  цель  и  задачи  работы.  Сформулированы  ос-
новные  научные  результаты,  выносимые  на  защиту,  указана  их  научная 
новизна и практическая значимость. 
 
В главе 1 представлен обзор систем АПЧ, их основные характеристи-
ки и методы анализа, области применения в современных радиотехнических 
системах. Показано, что наиболее универсальным и точным способом ана-



лиза  является  численное  решение  рассматриваемого  класса  дифференци-
альных уравнений при помощи метода Рунге-Кутты 4-го порядка. Учитывая 
сложность и объем требуемых вычислений при проведении такого анализа, 
особенно в случае рассмотрения систем высокого порядка, делается вывод о 
целесообразности  использования  современных  компьютерных  программ  и 
разработки соответствующих эффективных алгоритмов. 
 
Показано, что при оптимизации системы АПЧ одновременно по всем 
параметрам  использование  двухкольцевых  систем  позволяет  функцио-
нально  разделить  выполнение  возникающих  противоречивых  требований 
между  кольцами  системы.  Предлагается  рассматривать  вопрос  оптимиза-
ции  двухкольцевых  систем  АПЧ  по  помехоустойчивости  при  использова-
нии эллиптического фильтра 3-го порядка.  
 
В главе 2 разработаны алгоритмы и соответствующие программы в 
средах Mathcad и Matlab для расчета динамических характеристик и опре-
деления  основных  параметров  аналоговых  двухкольцевых  систем  АПЧ  в 
линейном и нелинейном режиме.  
В качестве примера для составления алгоритма рассмотрена система 
ЧАП-ФАП, структурная схема которой представлена на рис. 1. Управление 
средней частотой дискриминатора первого кольца – ЧАП – осуществляется 
при помощи второго кольца – ФАП. В результате система ЧАП-ФАП по-
зволяет  получить  наибольшую  полосу  захвата  среди  других  двухкольце-
вых систем АПЧ при высокой точности автоподстройки частоты стабили-
зируемого генератора. Особенностью рассматриваемой схемы является то, 
что  в  ней  осуществляется  перемножение  коэффициентов  регулирования, 
что повышает точность. 
 
 
Рис. 1 
 
На рис. 1: ЭГ – эталонный генератор, СГ – стабилизируемый генера-
тор, ЧД и ФД – частотный и фазовый детектор, ФНЧ1 и ФНЧ2 – фильтры 
нижних  частот,  УПЧ1  и  УПЧ2 – усилители  промежуточной  частоты; 


УЭ1  и  УЭ2 – управляющие  элементы 1-го  и 2-го  кольца  соответственно. 
Дополнительно на схеме показан источник внешней шумовой помехи. 
В  основе  алгоритма  составления  программы  в  среде Mathcad лежит 
уравнение  авторегулирования,  которое  описывает  работу  двухкольцевой 
системы  АПЧ  в  виде  отклонения  частоты  стабилизируемого  fСТ(t) генера-
тора от его номинального значения fСТ0. 
 
В рамках линейной модели системы ЧАП-ФАП уравнение авторегу-
лирования записывается в операторной форме: 
 
f
p)
p)
p)
p)
СТ .C
P
=
+
f

p)
1

f
p) , 
(1)
СТ
1 + p) 1 + p)
ЭТ1
1+ p)
Д1C
P
P
P
 
где  p)  – общий оператор разомкнутой двухкольцевой системы: 
P
 
p) = p
K
K
K
p K

(2)
P
1
P
[)1
( )
P2
]
( )
( )
( )
1
P
1
P
P2
 
где KP1(p) – оператор первого разомкнутого кольца АПЧ, KP2(p) – оператор 
второго разомкнутого кольца АПЧ. 
С учетом передаточных характеристик отдельных звеньев: 
 
⎛ 4
(3)
p) = S S K p)  и  p)
m
= −
S K p) , 
P1
ДУ1
Ф1
P2
⎜⎜
⎟⎟ УФ2
⎝ 
 
где 1 и 2 – крутизна УЭ1 и УЭ2 соответственно; 1 – крутизна линей-
ной  характеристики  ЧД;  Um – амплитуда  характеристики  ФД;  KФ1(p)  и 
2(p) – передаточные характеристики ФНЧ1 и ФНЧ2 соответственно.  
На  основе  связи  интеграла  Фурье  с  преобразованием  Лапласа  с 
учетом выражений (1)-(3) разработана программа в среде Mathcad, кото-
рая  позволяет  определить  основные  характеристики  и  переходный  про-
цесс в линейной двухкольцевой системе АПЧ в режимах стабилизации и 
слежения. 
 
В  случае  нелинейной  модели  системы  ЧАП-ФАП  выводится  нели-
нейное  дифференциальное  уравнение,  характеризующее  изменение  фазы 
стабилизируемого  генератора  от  времени.  При  использовании  в  кольце 
ЧАП в качестве ФНЧ интегрирующего звена, а в кольце ФАП – эллиптиче-
ского фильтра 3-го порядка, такое уравнение имеет вид: 
 
5
ϕ

β + β 1
( + ) 4
ϕ
β + β 1
( + ) 3
ϕ
(4) 
2
3
1
1
2
1
=



5
Н
4
3
dt
β
β
dt
β
dt
1
3
1
3
1
3
+ β 1
( + ) 2
ϕ
+1+ K K Φ(ϕ(t)) dϕ
1
1
1
1
1
2



 
2
β
dt
β
dt
1
3
1
3
3
K
α 
ϕ
dΦ(ϕ )
2
2
dϕ ϕ
Φ(ϕ )
3
dϕ



1
2

⋅ ⎢Φ(ϕ(t))
+ 3


+
⋅⎜
⎟ ⎥,
3
2
2
β
dt
dϕ
dt dt
dϕ
⎝ dt 
1
3
⎢⎣
⎥⎦


10 
где K1=K0111; K2=K022; K01 – коэффициент усиления сигнала ошибки 
кольца  ЧАП;  K02 – коэффициент  усиления  сигнала  ошибки  кольца  ФАП; 
∆fН  –  начальная  расстройка;  Φ(φ(t)) – характеристика  нелинейного  ФД; 
T1 – постоянная времени RC-фильтра; α, β1, β2, β3 – табличные коэффици-
енты, определяющие передаточную характеристику эллиптического филь-
тра 3-го порядка. 
Выражение (4) представляется в виде системы из n уравнений перво-
го порядка (в рассматриваемом случае n=5), решение которой находится в 
среде Mathcad при  помощи  метода  Рунге-Кутты 4-го  порядка  с  адаптив-
ным шагом. 
Пример  расчета  системы  ЧАП-ФАП  при  использовании  в  ней  ФД 
с  косинусоидальной  характеристикой  представлен  на  рис. 2. На  графиках 
использованы обозначения: th1 – время, мс; U1(th1) – переходный процесс 
фазы выходного колебания, рад; V1(th1) – первая производная фазы по вре-
мени, рад/с. 
 
 
Рис. 2 
 
В  качестве  оценки  влияния  помехи  используется  критерий  средне-
квадратической  ошибки  установления  частоты,  которая  при  заданном 
энергетическом спектре помехи (f) определяется как 
ε
=
f W KZjf
π ) df 
(5)
ср.кв
∫ 2
2
.
f
П
1
где  KZ(j2πf) – оператор  замкнутой  системы  АПЧ,  описывающий  зависи-
мость  частоты  от  собственных  колебаний  (при  воздействии  внутренней 
помехи) или от изменений параметра внешнего сигнала (при воздействии 
внешней помехи).  
Помехоустойчивость  можно  также  определить  как  отношение  сиг-
нал-помеха на выходе системы к такому же отношению на входе: 
= 20log(∆


(6)
ВЫХ
ВХ )
Графики частоты полезного сигнала и случайной помехи на выходе 



11 
модели системы ЧАП-ФАП, анализируемой в среде Mathcad, приведены на 
рис. 3, где (1) – частота выходного полезного сигнала при входном воздей-
ствии в виде ступенчатой функции; (2) – частота выходного сигнала с уче-
том  действия  помехи; (3) – частота  помехи.  В  рассматриваемом  примере 
при 
использовании 
эллиптического 
фильтра 3-го 
порядка 
величина С= 12,5 дБ. 
 
 
Рис. 3 
 
Аналогичный результат можно получить при моделировании линей-
ной системы ЧАП-ФАП в среде Simulink программы Matlab при использо-
вании схемы, показанной на рис. 4. 
 
 
 
Рис. 4 
 
В системе ЧАП-ФАП полоса захвата определяется широкополосным 
кольцом ЧАП, а помехоустойчивость – узкополосным кольцом ФАП. При 
анализе системы ЧАП-ФАП в линейном режиме проведена сравнительная 
оценка  влияния  параметров  ФНЧ  кольца  ФАП  на  среднеквадратическую 
ошибку  системы.  В  качестве  ФНЧ  кольца  ФАП  рассмотрено  использова-
ние трех видов фильтров: RC-фильтра, пропорционально-интегрирующего 
фильтра (ПИФ) и эллиптического фильтра 3-го порядка. Как видно из таб-

12 
лицы,  при  одинаковом  изменении  внешнего  воздействия  эллиптический 
фильтр 3-го порядка в кольце ФАП позволяет получить выигрыш по сред-
неквадратической  ошибке  установления  частоты  стабилизируемого  гене-
ратора примерно в 9 раз по сравнению с RC-фильтром и в 3 раза по срав-
нению с ПИФ. 
Таблица 1 
ФНЧ в кольце ФАП
RC-
Элл. 
ПИФ 
Параметр 
фильтр 
фильтр  
Постоянная времени фильтра, мс  
T=1 
T1=0,02 

T2=1 
Полоса среза фильтра, кГц 
0,16 0,16 0,06 
Изм. внешнего воздействия, кГц 100 
Время переходного процесса, мс 10 

0,7 
Среднеквадратическая ошибка εср.кв., Гц
10 3,588 
1,126 
 
В главе 3
 разработаны алгоритмы и соответствующие программы в 
средах Mathcad и Matlab для расчета динамических характеристик и опре-
деления  основных параметров  импульсных  двухкольцевых  систем  АПЧ  в 
линейном и нелинейном режиме.  
Импульсный режим работы АПЧ возникает в двух случаях: при ав-
топодстройке  стабилизируемого  генератора,  работающего  в  импульсном 
режиме, и при входном импульсном воздействии. Компьютерное модели-
рование импульсной части системы осуществляется путем ввода в нее спе-
циального импульсного генератора, описываемого функцией: 




⎛ τ ⎞⎞

(7)
Φ(t) =
⋅ sign cos⎜2π ⎟ − cos⎜π ⎟ +1 ,  
2 ⎜⎜
⎜⎜
⎟⎟
⎟⎟




⎝ ⎠⎠

где T – период следования импульсов, τ – длительность импульса, – ам-
плитуда. Меняя три последних параметра, можно формировать требуемую 
последовательность  импульсов.  Сформированный  импульсный  сигнал, 
воздействуя на управляемый параметр, переводит АПЧ в импульсный ре-
жим работы.  
В случае, когда стабилизируемый генератор работает в импульсном 
режиме, используя (7) и выражение для оператора непрерывной линейной 
части системы АПЧ, можно вывести следующее дифференциальное урав-
нение авторегулирования n-го порядка: 
k n
k
r
∑=
r m
r m
r
d y
(8)
a
a y =
d x
d u
b
b

k
k
0
∑=
ВХ 
k
r
∑= k r
=1
d t
r=1
d t
r=1
d t



13 
При рассмотрении нелинейной системы следует составить нелиней-
ное  дифференциальное  уравнение  для  аналогичной  системы,  работающей 
в непрерывном режиме, а затем ввести в это уравнение функцию  Φ(t) , опи-
сывающую импульсный элемент. Нахождение численного решения (8) по-
зволяет  рассчитать  переходный  процесс  в  системе  и  определить  условия 
устойчивости. 
Пример расчета по программе, разработанной в среде Mathcad на ос-
нове  выражений (7)-(8), для  линейной  модели  системы  ЧАП-ЧАП  пред-
ставлен на рис. 5. 
 
 
Рис. 5 
 
Моделирование  импульсной  линейной  системы  ЧАП-ЧАП  в  среде 
Simulink согласно схеме рис. 6 дало аналогичный результат. 
 
 
Рис. 6 
 
В главе 4
 разработана программа в среде Mathcad для синтеза циф-
рового фильтра на основе импульсной характеристики аналогового прото-
типа. Рассчитанные по программе постоянные коэффициенты звеньев син-
тезируемого  нерекурсивного  эллиптического  фильтра 3-го  порядка,  фор-
мирующие значения вектора а, приведены на рис. 7. 



14 
 
Рис. 7 
 
Импульсная характеристика цифрового нерекурсивного фильтра оп-
ределяется как 
1
(9)
(kT ) =
δ k m T 
H
∑− (( − ) )
m
m=0
где δ (− m T
)  – дельта-импульс. 
Эквивалентная схема, составленная в среде Simulink для проведения 
моделирования цифровой системы ЧАП-ФАП при использовании в кольце 
ФАП цифрового эллиптического фильтра 3-го порядка, показана на рис. 8.  
 
 
Рис. 8 
Для  осуществления  цифровой  обработки  сигнала  в  схеме  использу-
ются блоки аналого-цифрового преобразователя Analog to digital convector 
и  цифро-аналогового  преобразователя Digital to analog convector. Цифро-
вой  фильтр  реализован  в  виде  блока Digital Filter Desing. Сглаживающий 
фильтр на схеме не используется. Пример расчета по программе для схемы 
на рис. 8 представлен на рис. 9. 


15 
 
Рис. 9 
 
В  главе  5  описано  внедрение  результатов  исследований.  Использо-
вание  двухкольцевой  системы  ЧАП-ФАП  в  доплеровских  системах  изме-
рения  скорости  подвижных  объектов  дало  возможность  ОАО  «Научно-
исследовательский  институт  космического  приборостроения»  применить 
описанные в главах 2-4 алгоритмы и программы для расчета и  оптимиза-
ции двукольцевых систем АПЧ при проектировании и производстве нави-
гационной  абонентской  аппаратуры  ГЛОНАСС  и GPS. Указанные  мате-
риалы диссертационной работы были включены в соответствующие разде-
лы научно-исследовательской работы (НИР) «Перспектива - С». 
Опубликованные в статьях результаты диссертационного исследова-
ния  были  рассмотрены  ОАО  «Концерн  «Созвездие».  Алгоритмы  и  соот-
ветствующие программы для анализа и определения основных характери-
стик двухкольцевых систем АПЧ, в том числе когда в качестве ФНЧ в уз-
кополосном  кольце  используются  активные  фильтры  высокого  порядка, 
были учтены специалистами ОАО «Концерн «Созвездие» в процессе раз-
работки, моделирования и изготовления опытно-конструкторских образцов 
быстродействующих малошумящих синтезаторов частот. 
Проведенные ОАО «Концерн «Созвездие» исследования подтверди-
ли,  что  использование  в  двухкольцевых  системах  АПЧ  эллиптического 
фильтра 3-го  порядка  в  качестве  ФНЧ  в  одном  из  колец  является  опти-
мальным с той точки зрения, что позволяет повысить помехоустойчивость 
системы в целом. Материалы глав 2-4 диссертационной работы, связанные 
с  анализом  динамических  характеристик,  а  также  помехоустойчивости 
двухкольцевых  АПЧ,  были  включены  в  соответствующие  разделы  НИР 
«Кречет»  и  используются  на  предприятии  при  проектировании  и  произ-
водстве систем «Перспектива». 

16 
Следует  также  отметить,  что  алгоритмы  и  расчетные  программы  в 
средах Mathcad и Matlab для исследования динамических процессов и ос-
новных характеристик для аналоговой, импульсной и цифровой двухколь-
цевой  системы  АПЧ  в  рамках  линейной  и  нелинейной  модели  были  вне-
дрены  в  учебный  процесс  ФГБОУ  ВПО  «Московский  государственный 
технический  университет  радиотехники,  электроники  и  автоматики»  на 
кафедре радиопередающих устройств и используются в курсе «Радиоавто-
матика»  для  студентов  очной  формы  обучения  по  специальности 210300 
«Радиотехника». 
В заключении обобщены основные научные и практические резуль-
таты проведенных исследований. 
В  приложениях 1-8  приводятся  тексты  разработанных  компьютер-
ных программ в среде Mathcad для исследования динамических процессов 
и расчета основных характеристик в рамках линейной/нелинейной модели 
двухкольцевой системы АПЧ в непрерывном, импульсном и цифровом ре-
жимах работы. 
 
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
 
В  диссертационной  работе  рассмотрены  вопросы  моделирования, 
анализа,  расчета, синтеза и  оптимизации аналоговых, импульсных и циф-
ровых  двухкольцевых  систем  АПЧ.  Приведен  обзор  современных  систем 
АПЧ и методов их анализа. В процессе проведения исследований получе-
ны следующие основные результаты: 
1.  Развит  комплексный  подход  к  исследованию  динамических  про-
цессов  в  радиоэлектронных  системах  автоматического  регулирования  с 
помощью комплекта компьютерных программ в средах Mathcad и Matlab.  
2. Развит комплексный подход к исследованию помехоустойчивости 
систем автоматического регулирования при действии внешней и внутрен-
ней детерминированной и случайной стационарной помех. 
3. Обосновано предложение по использованию в системе ЧАП-ФАП 
эллиптического  фильтра 3-го  порядка  в  качестве  ФНЧ  кольца  ФАП,  что 
позволяет  оптимизировать  систему  по  таким  параметрам,  как  полоса  за-
хвата и помехоустойчивость.  
4.  Разработаны  алгоритмы  и  соответствующие  компьютерные  про-
граммы исследования динамических процессов и расчета основных харак-
теристик в рамках линейной и нелинейной модели аналоговой двухкольце-
вой системы АПЧ. 
5.  Разработаны  алгоритмы  и  соответствующие  компьютерные  про-
граммы исследования динамических процессов и расчета основных харак-
теристик в рамках линейной и нелинейной модели импульсной двухколь-

17 
цевой системы АПЧ. 
6.  Разработаны  алгоритм  и  соответствующие  компьютерные  про-
граммы исследования динамических процессов и расчета основных харак-
теристик цифровой двухкольцевой системы АПЧ. 
7.  Обоснован  алгоритм  и  разработана  соответствующая  компьютер-
ная программа синтеза цифрового фильтра на основе импульсной характе-
ристики аналогового прототипа. 
8.  Проведено  практическое  внедрение  результатов  проведенных 
теоретических исследований: 
-  при  разработке  абонентской  навигационной  аппаратуры 
ГНОНАСС/GPS  в  ОАО  «Научно-исследовательский  институт  космиче-
ского приборостроения»;  
-  при  разработке  опытно-конструкторских  образцов  быстродейст-
вующих малошумящих синтезаторов частот, а также при проектировании 
и производстве систем «Перспектива» в ОАО «Концерн «Созвездие»;  
- в учебный процесс по курсу «Радиоавтоматика» на кафедре «Радио-
передающих  устройств»  ФГБОУ  ВПО  «Московский  государственный 
технический университет радиотехники, электроники и автоматики». 
 
Публикации автора по теме диссертации 
 
Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК: 
1.  Терещенко  С.В.  Двухкольцевая  система  автоматической  под-
стройки частоты с эллиптическим фильтром // Радиотехника.- 2011.- №11-
С.34-38; 
2.  Терещенко  С.В.  Двухкольцевая  импульсная  система  автомати-
ческой подстройки частоты // Научно-технический журнал «Теория и тех-
ника радиосвязи».- 2010г.- №4-С.88-92; 
3.  Каганов  В.И.,  Терещенко  С.В.  Компьютерный  анализ  импульс-
ной системы автоматического регулирования // Вестник Воронежского ин-
ститута МВД России.- 2011.- №2-С. 6-13; 
4.  Каганов В.И., Терещенко С.В. Помехоустойчивость двухкольце-
вой системы автоматического управления // Радиотехника и электроника.- 
2012.- Том 57.- №3-С.353-358. 
Статьи в других журналах и сборниках трудов: 
1.  Терещенко С.В. Анализ системы ИФАПЧ с эллиптическим филь-
тром // Научный вестник МИРЭА.- 2008.- №2(5)-С.56-64; 
2.  Терещенко  С.В.  Анализ  нелинейной  двухкольцевой  системы  ав-
томатической  подстройки  частоты  в  среде MathCad // Научный  вестник 
МИРЭА.- 2011.- №2(11)-С.93-98; 
3.  Моделирование  двухкольцевой  системы  автоматической  под-

18 
стройки частоты в среде Matlab / С.В. Терещенко // Международная науч-
ная  школа  «Микроэлектронные  информационно-управляющие  системы  и 
комплексы»: Материалы научной школы. -М.: МИЭТ.- 2010.- С.130; 
4.  Импульсные 
системы 
автоматического 
регулирования / 
С.В.Терещенко // Современные вопросы науки – XXI век: Сб. науч. тр. по 
материалам VII междунар.  науч.-практ.  конф. (29 марта 2011г.) - Тамбов: 
ТОИПКРО, 2011.- Вып.7, Ч. 5.- С.130-131; 
5.   Цифровая  система  автоматического  регулирования / С.В.  Тере-
щенко // Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 
веке: Сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. (31 января 
2012г.). - Тамбов:  ТРОО  «Бизнес-Наука-Общество», 2012.- Вып.1,  Ч. 7.- 
С.124-125. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Подписано в печать 05.04.2012. Формат 60х84 1/16. 
Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. 
Тираж 100 экз. Заказ 173 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего профессионального образования  
“Московский государственный технический университет  
радиотехники, электроники и автоматики” 
119454, Москва, пр. Вернадского, 78 


Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница