Моделирование схем АПЧ и ФАПЧ
O. Петраков http://pspicelib.narod.ru

Каждый год  Intel радует нас все более мощными процессорами. Однако столкнувшись с задачей симуляции работы современной электронной аппаратуры, сразу понимаешь, почему развитые страны строят все более мощные суперкомпьютеры. Промышленные задачи такого типа для них. На сегодня ничего серьёзного в электронике разработать не возможно, не прибегая к моделированию. Либо ваша разработка завершится тогда, когда рынок уже будет поглощён конкурентами и лучшим местом для неё окажется городская свалка. Было бы здорово, если бы НИИ обзавелся петафлопным сервером для запуска таких задач. Самое интересное, что это реально. На российском рынке уже появились малогабаритные суперкомпьютеры с удивительно низкой ценой, по промышленным меркам. В данной статье представлены некоторые эксперименты с моделями ИС, содержащих АПЧ и ФАПЧ. Результаты доказывают возможность использования офисных ПК для моделирования не сложных узлов этого типа. Однако для полноценной работы требуется более мощная ЭВМ.

В промышленной аппаратуре АПЧ и ФАП используется повсеместно. Это позволяет обеспечить устойчивость характеристик изделий при высоких качественных показателях. Современных БИС позволяют обеспечить практически идеальную обработку сигналов. Осуществить это без ФАПЧ и АПЧ невозможно. Однако  устройство БИС настолько сложно, что изучать работу их подсистем лучше на примере более старых ИС, входящих в состав ИС серии К174, К561, К564.

Отечественные микросхемы серии К174  выполняют широкий спектр функций обработки сигнала  в радиоканалах радиоприемной и телевизионной техники. Эта серия развивается и в настоящее время, пополнившись сложными однокристальными радиоприемниками, декодерами,  и телевизорами.

Pspice моделирование этих микросхем весьма познавательное дело, поскольку они чрезвычайно богаты по выполняемым функциям, охватывая все области электроники. Процесс моделирования осложняется также тем, что они работают с очень разнородными по спектральному составу сигналами. Это создает проблему получения быстрых моделей и требует специальных методов их создания, чтобы моделировать такие проекты на офисном  ПК.

В фирменных библиотеках всевозможных САПР моделей микросхем такого типа очень мало, только простейшие.  Они устарели  для промышленного применения, однако позволяют увидеть электронику на экране компьютера без паяльника и осциллографа. В СБИС  вся обработка сигналов скрыта в кристалле. Это конечно здорово, но их работа понятна только избранным, или тем, кто имел опыт работы с более простыми ИС.

Тест модели К174ПС1

На рис. 1 представлена схема преобразователя частоты УКВ приёмника на базе двойного балансного смесителя К174ПС1. На вход поступает АМ сигнал. Несущая 100Мгц. Модулирующая 100кГц. Частота гетеродинная 110,7МГц. На нагрузке мы должны получить АМ сигнал разностной частоты 10,7 мГц (рис. 2).  Видим что спектр (рис. 3), как и должно быть, представлен несущей 10,7МГц и двумя боковыми, отстоящими на 100кГц. Подбором С2 можно устранить перекос между боковыми.

Рис. 1. Преобразователь частоты УКВ приёмника.

Рис. 2.  Сигнал в нагрузке.  АМ сигнал разностной частоты 10,7 мГц.

Рис.3. Спектр АМ сигнала разностной частоты 10,7 мГц.

Тест модели К174УР4  (TBA120U)

Ниже (рис.1) представлена схема теста модели  К174УР4, которая представляет собой радиоприёмный тракт ПЧ частотной модуляции. Обычно она применяется в канале звука телевизоров, часто в составе модуля УПЧЗ-2. Данная схема представляет собой канала звука телевизора 3УСЦТ.  На вход подаётся частотно модулированный сигнал ПЧ звука с частота несущей 6,5 мГц и частотой модуляции 5 кГц.  Результат демодуляции, при положениях регулятора громкости  R5=2.5K, 5K, 7.5K, 10K показан на рис.2. Время моделирования 1 минута (Core 2 DUO 2.4 мГц). 

Рис. 1.  Схема телевизионного канала звука 6,5 мГц

Рис. 2. Результат демодуляции сигнал  Audio.

Тест модели УПЧЗ-2М

Модуль УПЧЗ – законченное устройство для декодирования звука с промежуточной частоты 6.5 мГц, 5.5 мГц в телевизоре (рис. 3). В радиолюбительской практике нашёл применение в УКВ радиоприемных устройствах, позволяя получить тракт ПЧ-НЧ с минимальными усилиями. Результат демодуляции, при положениях регулятора громкости  R5=2.5K, 5K, 7.5K, 10K показан на рис.4. Время моделирования 1 минута (Core 2 DUO 2.4 мГц).

Рис. 3. Тест модели УПЧЗ-2М

Рис. 4. Результат демодуляции сигнал Audio2.

УКВ ЧМ приемник на 145 МГц

Схема этого приёмника публиковалась в журнале РАДИО. Приемник построен по супергетеродинной схеме с одним преобразованием частоты (рис. 5). Он работает в диапазоне частот 145,4...145,7 МГц. Чувствительность - около 5 мкВ. Промежуточная частота равна 6,5 МГц. Полоса пропускания по РЧ-ЗОО кГц, по ПЧ- 50 кГц. Входное сопротивление приемника - 75 0м. Выходная мощность тракта ЗЧ - не менее 0,5 Вт. Аппарат питается от источника напряжением 9 В и потребляет ток (при средней громкости приема) около 50 мА.

Рис. 5. УКВ радиоприёмник

           На рис. 6 представлена схема аналогичного радиоприёмника, но несколько упрощённого.  В данной схеме весьма неблагоприятное сочетание сигналов. На входе 100 мГц, на выходе 10 кГц. Результат симуляции (рис. 7) одного периода частоты 10 кГц надо ждать 2..3 минуты на ПК Intel CORE 2DUO 2.4 мГц.

Наверно реалистичная симуляция одного кадра полной схемы цветного телевизора займет на моём ПК нескольких суток. Подождём 1024-ядерных процессоров по цене $200..300.

Время моделирования можно значительно сократить, если использовать не реальные частоты, а удобные (подобранные так, чтобы сократить динамический диапазон в различии сигналов). В конце концов, параметры схемы можно потом отмасштабировать под реальные частоты. Это позволит моделировать гораздо более сложные радиочастотные схемы. Либо схему надо дробить на независимые части, тогда ограничения на сложность проекта во многом снимаются.

Рис. 6. УКВ радиоприёмник

Рис. 7. Результат демодуляции сигнал Audio2.

К174ХА4 Тракт фазовой автоподстройки частоты

Может использоваться в качестве демодулятора ЧМ сигнала, синхронного детектора АМ сигнала и следящего фильтра.

Наличие в вашем арсенале моделей подобных ИС сделает процесс моделирования весьма продуктивным. Несколько взмахов мышкой – вот тебе и схема с ФАПЧ!     Модель получилась очень быстрой. 5 периодов частоты 5 кГц обсчитывается 30 сек на Core 2DUO E6700.

Рис. 1. Схем ФАПЧ на К174ХА4

Рис. 2. Моделирование работы ФАПЧ

Рис. 3. Результат демодуляции модулированного синусоидой 5 кГц ЧМ сигнала

Рис .4. Работа ФАПЧ  на частоте 6,5 мГц (ПЧ звука).
Зона удержания помечена квадратом.

Синхронный демодулятор АМ сигнала 465 кГц

           На вход демодулятора подается АМ сигнал амплитудой 0,1В, который достаточно медленно плывет по частоте. Очевидно, что демодуляция возможна только в полосе захвата ФАПЧ. Именно этот факт демонстрируется в этом тесте. Частота модуляции 1 кГц.

Рис. 1. Результат моделирования. Время моделирования 52 сек.

К174УР7

ИМС К174УР7 представ­ляет собой специализированную ИМС для радиоприемников, содержа­щую усилитель-ограничитель проме­жуточной частоты ЧМ-тракта, ба­лансный ЧМ-детектор и предва­рительный усилитель низкой частоты. В тесте ИС используется для приема звука телевизора на ПЧ 6,5 мГц.

Рис. 1. Типовая схема включения К174УР7

Экономичный АМ детектор на К174ХА4

ФАПЧ с ничтожным энергопотреблением можно построить на КМОП микросхеме К1561ГГ1. Как известно эта серия отличается чрезвычайно малым потреблением.