Фазовый детектор. Схемы фазовых детекторов. ФД, срабатывающие по фронтам входных сигналов

Схему фазового детектора, показанную на рис. 7.3, нельзя отнести к схемам типа демодулятора, как две предыдущие схе­мы. Эта схема детектирует разность фаз двух сигналов, так что при наличии разности фаз могут быть приняты определенные меры по корректированию (см. разд. 4.6, 6.6, 6.7, 15.2 и 15.3). Фазовый детектор часто называют также фазовым дискрими­натором или частотным компаратором. Схема фазового детек­тора, показанная на рис. 7.3, близка к схеме дискриминатора (демодулятора) ЧМ-сигналов, изображенного на рис. 7.5, а их основные рабочие характеристики практически идентичны. Поэтому анализ схемы, данный в этом разделе, применим и к схе­ме, показанной на рис. 7.5. В демодулирующей системе (рис. 7.5) индуктивность L 4 связана с L b т. е. она не является вторичной обмоткой трансформатора L 4 L 5 , как это имеет место в схеме, изображенной на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Фазовый детектор.

Рис. 7.4. Векторные диаграммы фазового детектора.

Подлежащий анализу сигнал прикладывается к входной обмотке li и трансформируется во вторичную обмотку, состоя­щую из L 2 - L 3 . Вторичная обмотка шунтируется конденсато­ром переменной емкости С ь благодаря чему образуется парал­лельный резонансный контур, настроенный на частоту контроль­ного (опорного) сигнала, который прикладывается к первичной обмотке L 5 трансформатора и наводится на L 4 .

Если оба сигнала имеют идентичные частоты, то при хоро­шей балансировке системы прикладываемые к диодам сигналы одинаковы. В этом случае токи диодов протекают в направле­ниях, показанных на рис. 7.3 стрелками, создавая выпрямлен­ный сигнал. Каждый диод проводит через полупериод, вследст­вие чего через диоды протекают пульсирующие токи. Однако пульсации напряжения на резисторах Ri и R 2 сводятся к мини­муму благодаря фильтрующему действию конденсаторов С 2 и С 3 , так что через Ri и R 2 протекают практически постоянные токи. Вследствие использования центрального отвода в обмотке L 2 - L 3 и равенства резисторов R 1 и R 2 падения напряжений на этих выходных резисторах равны и противоположны по зна­ку; поэтому при равенстве частот сигналов выходное напряже­ние равно нулю.

Работу схемы легче всего понять из анализа фазовых соот­ношений в рассматриваемом компараторе. На векторной диаг­рамме, приведенной на рис. 7.4, а, показаны соотношения фаз напряжений при равенстве частот обоих входных сигналов, ког­да входной колебательный контур находится в состоянии резо­нанса. В этом случае действующая в контуре индуцированная э д. с. E инд изменяется в фазе с током I к, протекающим через элементы (активные и реактивные) контура. Такое положение обусловлено тем, что при резонансе реактивное емкостное со­противление контура равно по величине и обратно по знаку ин­дуктивному реактивному сопротивлению контура; эти сопротив­ления компенсируются, так что контур имеет лишь активное сопротивление. Поэтому между з. д. с., действующей в контуре, и током контура нет ни опережения, ни отставания.

Напряжение опорного сигнала E L ± на вторичной обмотке L 4 . сдвинуто по фазе на 180° относительно индуцированной э.д. с,. E ИНД. Поэтому E L 4 показано на рис. 7.4, а в виде вектора, на­правленного противоложно вектору Е инл.

Поскольку катушка L 4 связана с входом и выходом систе­мы, каждый диод подвержен воздействию двух сигналов: опор­ного и входного. Однако общее напряжение на каждом диоде является не арифметической, а векторной суммой напряжений сигналов. Это объясняется тем, что падение напряжения E L на нижней половине вторичной обмотки, отсчитываемое от сред­ней точки этой обмотки, опережает на 90° ток 1 К, протекающий через эту часть обмотки, по этой же причине падение напряже­ния E L 2 на верхней половине вторичной обмотки, также отсчи­тываемое от средней точки этой обмотки, должно отставать от вектора I к на 90°; таким образом, при резонансе напряжение?д э на диоде Д1 равно векторной сумме E L 4 и E L 2 , а напряжение Eд 2 на диоде Д 2 равно векторной сумме E L 4 и E L 3 , Напряже­ния Eд х и Eд 2 показаны на рис. 7.4, а в виде диагоналей па­раллелограммов.

Если входной сигнал на L 1 отличается от опорного сигнала на L 5 , то фазовые соотношения сигналов в рассматриваемом компараторе изменяются, в результате чего один из диодов про­водит лучше другого. Поэтому падение напряжения на одном из выходных резисторов становится больше падения напряже­ния на другом резисторе и их суммарное падение напряжение перестает быть равным нулю, причем его величина и полярность зависят от разности этих падений напряжений.

При изменении частоты входного сигнала колебательный контур (L 2 - L 3)C 1 выходит из резонанса и ток I к во вторичноГс обмотке не изменяется в фазе с э.д. с. E HHR . Это объясняется тем, что колебательный контур на частоте выше или ниже резо­нанса имеет индуктивное или емкостное сопротивление. Если ток отстает от э.д.с. E ИНД, то векторная диаграмма принимает вид, показанный на рис. 7.4,6. Но между I к и E L 2 или E L 3 со­храняется разность фаз, равная 90°. В результате этого напря­жение на диоде Д1 увеличивается, а на диоде Д 2 уменьшается, В этом случае диоды проводят неодинаково, и на выходе ком-ларатора появляется напряжение.

Изменение частоты входного сигнала в другом направлении приводит к увеличению?д 2 и уменьшению?д х. Появляется выходное напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения, образующегося в предыдущем случае.

Фазовый детектор — это устройство, сравнивающее фазы двух сигналов равных или близких частот. Фазовый детектор формирует напряжение, пропорциональное разности фаз.

Для определения фазы неизвестного колебания требуется точка отсчета, которая будет определять начало координат. Обычно в качестве такой точки отсчета выступает опорное синусоидальное колебание, вырабатываемое местным генератором (гетеродином). При этом для выделения фазы можно воспользоваться тригонометрическим тождеством:

При условии равенства частот принимаемого сигнала и гетеродина формула преобразуется к виду:

(2)

Напряжение с удвоенной частотой принимаемого сигнала (удвоенной промежуточной частотой) на выходе фазового детектора легко подавляется фильтром низких частот и в дальнейшем анализе не учитывается:

(3)

Учитывая, что синус малого угла равен значению самого угла, на выходе аналогового умножителя сигналов присутствует напряжение, пропорциональное фазе принимаемого сигнала. Иначе говоря, в качестве фазового детектора может выступать , к одному из входов которого подключен генератор с частотой, равной частоте принимаемого сигнала.

К сожалению, из той же формулы напряжения на выходе умножителя сигналов видна зависимость выходного напряжения от амплитуды входного сигнала и сигнала местного генератора (гетеродина). Поэтому перед детектированием фазомодулированного сигнала в фазовом детекторе напряжение входного сигнала должно быть ограничено по амплитуде.

В ряде схем фазовых детекторов в результате ограничения или по ряду других причин (синтезатор частот, умножитель тактовой частоты) применяются сигналы с логическими уровнями. В этом случае в качестве можно применить .

Структурная схема фазового детектора, реализованная по описанному выше принципу, приведена на рисунке 1.



Рисунок 1. Структурная схема фазового детектора

Форма напряжения на выходе ограничителя амплитуды приближается к прямоугольной форме сигнала со скважностью равной двум. Напряжение (или ток) на выходе местного генератора (гетеродина) тоже стараются получить прямоугольной формы. Для более точного формирования прямоугольного сигнала гетеродина с равной длительностью положительного и отрицательного значения достаточно часто применяют генератор с удвоенной частотой. Затем понижают ее на двоичном делителе (T-триггере). В результате формула (3) преобразуется к следующему виду:

(4)

Линейный участок передаточной характеристики фазового детектора в результате применения прямоугольных колебаний расширяется до диапазона . Пример передаточной характеристики фазового детектора AD9901 приведен на рисунке 2.



Рисунок 2. Передаточная характеристика фазового детектора AD9901

Отклонение передаточной характеристики от линейного закона в микросхеме вызвано ее конечным быстродействием.

Дата последнего обновления файла 16.12.2017

Литература:

  1. "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса М., "Высшая школа" 1976 стр. 37 ... 110
  2. "Радиоприемные устройства" под ред. Жуковского М. "Сов. радио" 1989 стр. 8 ... 10
  3. Палшков В.В. "Радиоприемные устройства" - М.: "Радио и связь" 1984 стр. 12 ... 14

Вместе со статьей "Фазовый детектор (демодулятор)" читают:

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчет фазового детектора»


Введение

1. Классификация фазовых детекторов

2. Анализ схем построения фазовых детекторов

2.1 Балансный фазовый детектор

2.2 Фазовый детектор на логических дискретных элементах

2.3 Однократный диодный фазовый детектор

2.4 Коммутационный фазовый детектор

3. Выбор и обоснование схемы фазового детектора

Заключение

Список литературы


Введение

Радиотелеграфная связь с использованием фазовой манипуляции (часто ее называют фазовой телеграфией) является перспективным видом телеграфной связи, так как ее помехоустойчивость значительно помехоустойчивости частотной телеграфии и тем более амплитудной телеграфии. Анализ помехоустойчивости систем связи с фазовой манипуляцией показывает, что переход от частотной манипуляции при наиболее распространенном некогерентном приеме сигналов ЧМ к фазовой эквивалентен увеличению мощности передатчика в 3-4 раза. Этот выигрыш обусловлен возможностью сужения в два раза полосы пропускания приемника по сравнению с ЧМ и появление фазовой селективности, дающей дополнительное ослабление составляющих помех, не совпадают по фазе с импульсами сигнала. Применение фазовой манипуляции позволяет передавать несколько двоичных сообщений на одной частоте без расширения полосы частот.

Передача элементов сигнала осуществляется в простейшем случае изменением на фазы колебания одной и той же частоты. Общий принцип приема сигналов с фазовой манипуляцией состоит в сравнении на фазовом детекторе фазы принимаемых сигналов с фазой колебаний местного гетеродина. Частота и фаза этих колебаний должны точно совпадать с частотой и фазой одно из элементарных сигналов. При совпадении фаз колебаний гетеродина и элементарного сигнала на выходе фазового детектора получается импульс положительной полярности; при фазах, отличающихся на , выдается импульс отрицательной полярности.

Структурная схема приемника сигналов с фазовой модуляцией показана на рис.(1)

Общий радиотракт приемника (ОРТ) выполняет обычные функции селекции, усиление и преобразование частоты принимаемого сигнала. В отличие от приемников АМ и ЧМ сигналов к приемнику сигналов ФН предъявляет требования повышенной частотной точности и более высокой линейности фазовых характеристик.

Тракт усиления и формирования телеграфных импульсов также не отличается от обычных блоков, применяемых в приемниках радиотелеграфных сигналов. Основными специфическими элементами схемы являются фазовый детектор и синхронный гетеродин, которые и решают задачу преобразования радиосигналов с фазовой манипуляцией в импульсы постоянного тока, полярность которых меняется в зависимости от фазы элементарных сигналов.

Основная трудность при практической реализации метода фазовой телеграфии состоит в получении опорного напряжения, частота и фаза которого точно совпадает с частотой и фазой одного из элементарных сигналов. Решить задачу применением автономного местного гетеродина

невозможно, так как требуется практически нереализуемая стабильность его частоты. Кроме того, такой гетеродин не может следить за изменениями частоты и фазы сигнала в канале связи. Выделение из спектра ФМ колебания с несущей частотой для использования его в качестве опорного напряжения также не представляется возможным, так как спектр сигнала при

ФМ не содержит составляющей с частотой , а в реальном спектре она сильно ослаблена. Поэтому применяются гетеродины опорных колебаний, фаза которых непрерывно корректируется сигналом, либо опорное напряжение создается после ряда нелинейных преобразований из принимаемого сигнала.

Современные радиоприемные устройства широко используют аналоговую и цифровую реализацию отдельных функциональных узлов,

В том числе детекторов, поэтому следует различать цифровые схемы, которые могут либо повторять принципы аналогового детектирования, либо реализовать алгоритмы, отличающиеся от аналоговых, широко применяемых на практике.

В литературе нет установившегося названия устройствам, выполняющим операцию сравнения и одновременного преобразования одного вида сигнала в другой. В зависимости от области применения используют понятия: различитель, дискриминатор, демодулятор, детектор.

Фазовые детекторы находят широкое применение в различных фазометрических устройствах в системах автоподстройки частоты, в следящих узкополосных фильтрах способных автоматически перестраиваться при изменении частоты принимаемого сигнала, а также для детектирования фазомодулированных и фазоманипулированных сигналов.

Фазовый детектор (ФД) – это устройство, выходной сигнал которого определяется разностью фаз колебаний, подаваемых на его входы. Мгновенное значение выходного напряжения фазового детектора:

Uвых.фд =Uфд.maxF() (1)

где F() – нормированная характеристика фазового детектора; -мгновенная разность фаз входных напряжений.

1. Классификация фазовых детекторов

Разнообразные схемы фазового детектора по принципу действия можно разделить на две большие группы: нелинейные векторомерные и параметрические. Классификация фазовых детекторов приведена на рисунке К векторомерным относятся фазовым детекторам, в которых выходное напряжение Uвых.фд(t) образуется сравнением амплитуд векторных сумм и разности колебаний U 1 (t) и U 2 (t) с помощью нелинейных элементов и последующего детектирования результирующего сигнала.

Детекторы (дискриминаторы) этой группы используют на высоких частотах. Наиболее распространенными дискриминаторами этого типа являются балансные и кольцевые. Балансный фазовый детектор с квадратичными амплитудными детекторами эквивалентен перемножителю входных колебаний с последующей фильтрации высокочастотных составляющих.

К параметрическим относят детекторы, в которых преобразование разности фаз сигналов в выходное напряжение осуществляется при помощи линейных цепей с переменными параметрами. Параметры линейных цепей можно изменять плавно или скачкообразно. Параметрические фазовые детекторы часто называют коммутационными. В коммутационных фазовых детекторах одно из колебаний, называемое опорным, периодически изменяет параметры электрических цепей. В качестве коммутатора (ключа) применяют механические прерыватели; электронные и транзисторные схемы. Коммутационные фазовые детекторы используются обычно на сравнительно низких частотах (до сотен килогерц). В ряде случаев, в том числе когда требуется специальная характеристика фазового детектора, например в цифровых синтезаторах частоты, используются импульсно-фазовые дискриминаторы.

Как уже было сказано выше фазовым детектором называют устройство предназначенное для создания напряжения, пропорционального разности фаз между сигналом и опорным колебанием. Если на входе фазового детектора действует напряжение: u вх = U вх cos, то продетектированное напряжение

Е д = К фд .

Так как в спектре напряжения на выходе фазового детектора имеются частотные составляющие, которых не было в спектре u вх, то для реализации фазового детектора нельзя использовать линейную схему с постоянными параметрами. Фазовое детектирование нельзя также осуществить с помощью простой безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит от амплитуды входного напряжения и не зависит от эго фазы и частоты. Поэтому фазовый детектор можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами.

Структурная схема фазового детектора показана на рисунке (3);


На этой схеме частота гетеродина (опорное напряжение)

Под действием опорного напряжения u 0 меняется активный параметр схемы, обычно это крутизна S.

Напряжение на выходе с коэффициентом передачи К д:


Согласно рисунка 5 напряжение Е Д на входе фазового детектора зависит от входного сигнала; вид зависимости Е Д от определяется отношением U вх /U 0 . В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды.

Если U вх >U 0 то,

Таким образом, при малых амплитудах входного сигнала характеристика детектирования однотактного диодного фазового детектора имеет косинусоидальную форму. Если , то

в этом случае характеристика детектирования представляет собой циклоиду рисунок 5 сильно отличается от косинусоиды.

2. Анализ схем построения фазовых детекторов

2.1 Балансный фазовый детектор

Балансный фазовый детектор представляет собой два диодных однотактных фазовых детекторов, каждый из которых работает на свою нагрузку.

В результате на входе каждого плеча фазового детектора создаются напряжения встречной полярности поэтому . Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности поэтому фаза напряжения Uвх` отличается от фазы Uвх`` на .

Опорное напряжение прикладываются к диодам в одинаковой фазе, поэтому,

Следовательно,

В кольцевом фазовом детекторе используют два балансных фазовых детектора, при этом симметричность характеристики детектирования улучшается, а коэффициент детектора возростает.

Характеристики детектирования плеч и всего ФД при

Выводы: 1. Балансный фазовый детектор- это сочетание двух однотактных фазовых детектора, каждый из которых работает на свою нагрузку и создает на них взаимно противоположные напряжения; разность этих напряжений определяют продетектированное напряжение на входе балансного фазового детектора. Полярность входных сигналов на диодах обратна, опорного напряжения – одинакова.

2.Характеристика детектирования балансого фазового детектора по сравнению с однотактным более симметрична и проходит через нуль.

2.2 Фазовый детектор на логических дискретных элементах

Структурная схема фазового подобного детектора показана на рисунке (8)

Устройство формирования преобразует аналоговый гармонический сигнал в импульсное напряжение.

Возможная схемная реализация такого фазового детектора показана на рисунке (8). Детектор имеет два входа: на первый подается ФМ - колебание (рис.9,а), на второй – опорное напряжение (рис. 9,в). В качестве УФ 1 и УФ 2 (рис.11) использованы компараторы с гистерезисом DA 1 иDA 2 . Диаграммы напряжений u 1 и u 2 на выходе УФ 1 и УФ 2 показаны на рис.(9,б,г) . Напряжения u 1 и u 2 подаются на цепь И, в качестве которой используются два логических элемента И-НЕ DD1.3 и DD1.4. Напряжение u на выходе цепи И создается только при одновременном действии напряжений u 1 и u 2 . Диаграмма напряжения на выходе цепи И показана на рисунке (9,д). Фильтр нижних частот выделяет постоянную составляющую напряжения Е д = U 0 | π – φ | / 2 π = 0,5 U 0 | 1 – φ/ π| (4) ;


Согласно(4) напряжение Е д линейно зависит от фазы φ. Характеристика детектирования ФД показана на рис. (12)

Если на рисунке (10) вместо цепи И использовать цепь на основе элементов исключающее И-НЕ рис. (11), то характеристика детектирования становится в 2 раза круче и при равенстве фаз входного и опорного напряжений Е д = 0.

Напряжение u на выходе цепи И, состоящей из элементов И-НЕ, имеет место при одновременном наличии либо отсутствии напряжений u 1 и u 2 .

ВЫВОД: В ФД на логических дискретных элементах ФМ – колебание преобразуется в импульсное напряжение, скважность которого зависит от фазы входного сигнала. Импульсный ФД реализуется в интегральном исполнении.

2.3 Однократный диодный ФД

Для фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение Е д на выходе ФД определяется выражением ,полученным при предположении, что U nx <

Характеристики детектирования диодного ФД согласно этого выражения близка к синусоиде.

Принцип действия такого ФД можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (u BX и u 0).

На входе такого АД действует суммарное напряжение:

u ∑ = u вх + u 0 =U BX cos (ω 0 t + ψ) + U 0 cos ω 0 t. (5);

Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получают напряжение той же частоты, но другой фазы. Амплитуда суммарного колебания:

2.4 Коммутаторный фазовый детектор

Такой фазовый детектор выполнен в виде балансного перемножающего устройства с дифференциальным входом. Входной сигнал U 1 подается на базу транзистора Т 1 , сигнал управляющего напряжения U 2 подается непосредственно на затвор полевого транзистора Т 3 . Последний работает как управляемый напряжением аттенюатор с нулевым смещением на участке исток-сток. Вследствие баланса цепи по постоянному току управляющее напряжение, приложенное к затвору Т 3 , изменяет только сопротивление накала полевого транзистора, не влияя на условие передачи постоянных смещений в цепи. При использовании рассмотренной балансной схемы рис (14), перемножителя в спектре выходного напряжения удается значительно ослабить составляющую частоты 2 и все комбинационные составляющие, за исключением ω 2 ±ω 1 . Составляющие частоты ω 1 при этом из спектра не исключаются. Однако при выполнении условия ω 1 -ω 2 ≤ω 1 ее влияние почти не сказывается, так как она будет подавлена фильтром, стоящим после фазового детектора. Допуская,что участок затвор –канал имеет безконечное сопротивление и что амплитуда напряжения сигнала U 1 значительно меньше напряжения отсечки полевого транзистора, можно показать что коэффициент передачи передачи фазового детектора для симметричного выхода может быть выражен в следующем виде:

Где S нач - начальная крутизна полевого транзистора Т 3 при (U зи =0);

U зи.отс - напряжение отсеки Т 3 ;

R н - сопротивление нагрузки каждого плеча схемы;

U 2 - амплитуда управляющего напряжения на затворе.

Входное сопротивление схемы на частоте сигнала определяя ется велечиной разных сопротивлений R 1 R 2 и имеет порядок .

Максимально возможный коэффициент такого фазового детектора при условии U 2 =0.5U зи.отс определяется выражением:


3.Выбор и обоснование схемы фазового детектора

Рассмотрим балансный ФД. Такой детектор состоит из двух встречно включенных амплитудных детекторов, нагрузкой являются соответственно резисторы и конденсаторы При этом . Одно из входных напряжений подводится к схеме с помощью

трансформатора со средней точкой таким образом, чтобы составляющие этого напряжения имели одинаковую амплитуду и действовали на диоды тоесть и .Второе входное напряжение через трансформатор подводится к диодам с одной фазой. Таким образом, на каждом из диодов действует сумма двух напряжений конденсаторыи для токов частот представляют короткое замыкание:

Амплитуды результирующих напряжений можно определить графически с помощью векторных диаграмм рисунок (16).

Результирующий фазовый угол φ между векторами определяются равенством φ=

С помощью диограмм можно получить получить значение результирующих амплитуд напряжений, приложенных к диодам

Напряжение детектируется на нагрузках амплитудных детекторов возникнут напряжения где коэффициент передачи амплитудного детектора.

Результирующее выходное напряжение фазового детектора:

Это выражение представляет собой уравнение импульсно-фазовой характеристики балансного фазового детектора. Крутизну характеристики балансного фазового детектора можно найти, дифференцируя уравнение его импульсно-фазовой характеристики:

Уравнение () можно упростить, разложив каждое слагаемое в степенной ряд и ограничившись первыми членами разложения


При этом по-прежнему определяется выражением (10). Если амплитуда одного из входных напряжений существенно больше амплитуды другого (например) уравнение характеристики оказывается еще более простым: (12);

(13);

Основное уравнение импульсно-фазовой характеристики (9) является симметричным относительно амплитуд входных сигналов .Поэтому с точки зрения работы схемы безразлично какой из входных сигналов будет являться опорным.

Для балансного фазового детектора характерно, что его входное напряжение зависит от соотношения амплитуд входных напряжений:(см.рис)

Амплитудно-фазовые характеристик, приведенные на данном рисунке построены по формуле(11) для различных значений h. По оси ординат отложим обобщенные значения . Анализ приведенных графиков позволит сделать следующие выводы. При характеристика практически считается линейной, крутизна ее согласно (10) будет равна:

(15);


Если то характеристика приближается косинусоидальной, а крутизна детектора стремится к своему максимально возможному значению(13).

Предельное значение обобщенной величины y=2 свидетельствует о том, что максимальное напряжение на выходе детектора не может превышать удвоенной величины наименьшего йз входных напряжений (при условии). Предельное значение коэффициента передачи напряжения будет равно

При выполнении неравенства величина максимального значения

выходного напряжения зависит практически только от наименьшего из входных напряжений, в данном случае от . Следовательно, если требуется, чтобы оставалось неизменным при работе фазового детектора в условиях изменения амплитуды одного сигналов, необходимо обеспечить постоянство амплитуды наименьшего из двух входных напряжений. Например, при постоянной амплитуде опорного напряжения () для сохранения неизменным входного напряжения пи колебаниях амплитуды напряжения входного сигнала () необходимо, чтобы всегда выполнялось условие .

Оценим приближенно порядок входных сопротивлений балансного фазового детектора. Если внутреннее сопротивление диода, намного меньше сопротивления нагрузки, то входное сопротивление последовательного диодного детектора при достаточно больших входных напряжениях приближенно равно .

Следовательно, входное сопротивление балансного фазового детектора с стороны первого входа, пересчитанное по вторичной обмотке трансформатора смотри рисунок(15) , будет равно сумме двух входных сопротивлений амплитудных диодных детекторов то есть:

Со стороны второго входа входное сопротивление, приведенное ко вторичной обмотке трансформатора , будет складываться на двух параллельно включенных входных сопротивлений диодных детекторов, следовательно:

(17);

Заметим, что для упрощения все входные напряжения и сопротивления в схеме рассматривались проведенными ко вторичным обмоткам трансформаторов . Очевидно эти величины можно легко пересчитать к первичным обмоткам, то есть непосредственно на оба входа схемы фазового детектора.

Рассмотрим некоторые соотношения между элементами нагрузки балансного фазового детектора. Как уже отмечалось, величину резистора R выбирают на условии . Постоянная времени нагрузки RC должна быть, с одной стороны такой, чтобы выполнялось известное из теории амплитудных детекторов неравенство:

(18);

где -минимальная частота входных напряжений детектора. С другой стороны, чтобы при не искажалось форма выходного напряжения и таким образом и таким образом обеспечивалась требуемое быстродействие, должно выполнятся условие

Последнее неравенство, очевидно, теряет свой смысл, когда ω 1 = ω 2 . В этом случае верхняя граница постоянной времени RCбудет определяться возможной максимальной скоростью изменения фазового угла ω 0 = ω 1 – ω 2 между сравниваемыми напряжениями.


Заключение

При практическом использовании фазовых детекторов (особенно в системе фазовой автоподстройки частоты) предъявляются весьма высокие требования к фильтрации отличных от ω 1 - ω 2 комбинационных частот на выходе детектора, неизбежно образующихся в процессе детектирования. Эти побочные комбинационные составляющие отрицательно сказываются и на работе системы автоподстройки и могут привести к значительным ошибкам. В тех случаях, когда предъявляются высокие требования к фильтрации указанных комбинационных составляющих, прибегают к использованию более сложных (например, кольцевых) фазовых детекторов. Хорошие результаты могут быть также получены при использовании коммутаторных фазовых детекторов.

Достоинства: Большая линейность характеристики, если U 0 =U c /2, то будет максимум области линейности характеристики; большая крутизна; характеристика проходит через ноль.

Недостаток: более сложное построение.


Список литературы

1. Проектирование радиоприёмных устройств: Учебное пособие для вузов под редакцией А.П. Сиверса - М.: Советское радио, 1976 .

2. Радиоприёмные устройства: Учебник для вузов под редакцией

Н.Н. Фомина - М.: Радио и связь, 1996.

3.Радиоприемные устройства: О.В. Головин - М.: Высшая Школа, 1997

4. Разработка структурной схемы радиоприёмного устройства: Учебное пособие по курсовому проектированию. Сидоров В.М. -М.: типография ВЗЭИС, 1988.

5. Горшков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М:”Радио и связь”, 1988 - 316 с.

6. Бобров Н.В., Максимов Г.В., Мичурин В.Н. Расчет радиоприемников. М: Воениздат, 1971.

В параграфе 7.4 были рассмотрены цифровые синтезаторы с косвенным синтезом частоты, одним из главных элементов которых можно назвать фазовый дискриминатор. Аналогичные устройства применяют в любых цифровых системах фазовой автоподстройки частоты, используемых как для синтеза колебаний с постоянной частотой, так и для частотной или фазовой модуляции и демодуляции ВЧ сигналов. Параметры фазового дискриминатора определяют наивысшую рабочую частоту или частоту сравнения петли ФАПЧ, а также такие важнейшие показатели, как ширина полосы захвата и полосы удержания петли ФАПЧ.

В цифровых системах ФАПЧ, в основном, используют следующие виды фазовых дискриминаторов:

· фазовый детектор (ФД) на логическом элементе «Исключающее ИЛИ»;

· фазовый детектор на RS-триггере или JK-триггере;

· цифровой частотно-фазовый детектор (ЧФД).

Первые два типа детекторов характеризуются тем, что на их выходе присутствует постоянное напряжение, пропорциональное сдвигу фаз при равенстве частот входного и опорного сигналов, и биения, частота которых зависит от разности частот этих сигналов, если эти частоты не равны. При этом биения могут иметь в некотором диапазоне расстроек постоянную составляющую, приводящую петлю ФАПЧ в конце концов к захвату частоты входного сигнала, но при достаточно большой частотной расстройке биения становятся практически гармоническими и захват частоты является уже невозможным. Ясно, что при этом полоса захвата системы уже полосы удержания. Рисунок 7.7.1 иллюстрирует процесс захвата частоты системой ФАПЧ с ФД на логическом элементе «Исключающее ИЛИ» (показана зависимость выходного напряжения ФД от времени, полученная путем моделирования работы петли ФАПЧ на ЭВМ). В данном случае начальная расстройка частоты ГУН настолько велика, что биения выходного напряжения ФД являются чисто гармоническими и их постоянная составляющая равна нулю, т.е. ФД не оказывает подстраивающего действия на ГУН (левая часть рисунка). На ГУН подается внешнее управляющее воздействие, медленно сдвигающее его частоту к значению, при котором возможен захват его частоты петлей ФАПЧ; при этом форма биений выходного колебания ФД начинает отличаться от гармонической, появляется постоянная составляющая, оказывающая воздействие на среднее значение частоты ГУН (средняя часть рисунка). В какой-то момент частота ГУН попадает в полосу захвата петли ФАПЧ – и происходит захват: после короткого переходного процесса на выходе ФД устанавливается постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз опорного колебания и колебания ГУН, поступающих на ФД (правая часть рисунка).

В отличие от фазовых детекторов, у частотно-фазового детектора при любых частотных расстройках на выходе нет биений, но присутствует постоянное напряжение, подстраивающее регулируемый генератор так, чтобы уменьшить эту расстройку. Таким образом, выходное напряжение ЧФД является функцией как разности фаз (в синхронном режиме), так и разности частот (в случае отсутствия синхронизма) поступающих на него колебаний. Благодаря этому в системе ФАПЧ, содержащей цифровой частотно-фазовый детектор, полоса захвата равна полосе удержания.

На рис.7.7.2 показана структура простейшего цифрового ЧФД, построенного на двух D-триггерах. Состояния их выходов определяют работу транзисторных ключей VT1, VT2 следующим образом.

Q1=1, Q2=1 - элемент «логическое И» DD3 выставляет на своем выходе логическую 1, которая через устройство задержки подается на входы CLR триггеров, сбрасывая их выходы в 0.

Q1=0, Q2=0 - оба ключа разомкнуты, выход ЧФД - в третьем состоянии.

Q1=1, Q2=0 - ключ VT1 замкнут, VT2 разомкнут, на выходе ЧФД напряжение, близкое к напряжению питания, что соответствует логической 1.

Q1=0, Q2=1 - ключ VT1 разомкнут, VT2 замкнут, на выходе ЧФД напряжение, близкое к нулю, что соответствует логическму 0.

Рассмотрим поведение схемы в случае, когда частота сигнала на Входе 1 выше частоты на Входе 2, рис.7.7.3А. Из рисунка видно, что при этом единица на выходе ЧФД будет появляться чаще, чем 0 (триггеры срабатывают по положительному фронту на синхровходе), и частота ГУН будет подтягиваться выше, к частоте опорного генератора (предполагается, что ГУН выполнен с использованием варикапа). Это будет продолжаться до тех пор, пока частоты не станут равными, что приведет к захвату частоты ГУН. В случае, когда в исходном состоянии частота ГУН значительно выше частоты опорного генератора, на выходе ЧФД будет преобладать 0, понижая частоту ГУН вплоть до ее захвата петлей ФАПЧ.

Современные ЧФД выпускаются в виде ИМС, и могут работать на частотах до 200 МГц, что позволяет их использовать в ПЧ трактах радиопередающих устройств современных стандартов связи. Они имеют средства для устранения зоны нечувствительности по фазе, расположенной в центре фазовой характеристики. Примером современной микросхемы ЧФД может послужить AD9901, структура которой представлена на рис. 7.7.4. Принципиально она отличается от рассмотренной выше (рис. 7.7.2) наличием делителей частоты входных сигналов на D-триггерах. Они обеспечивают фазовому дискриминатору, выполненному на элементе «Исключающее ИЛИ», прямоугольные колебания для улучшения его работы, а также сдвигают зону нечувствительности из центра фазовой характеристики на ее края.

Вид характеристики такого ЧФД показан на рис. 7.7.5, где видны зоны нечувствительности и нелинейности в зависимости от рабочей частоты детектора. Отметим, что на частотах в сотни кГц эта характеристика имеет линейный участок протяженностью на все 360°.

Существуют две разновидности ЧФД, различающиеся по способу построения их выходных каскадов: ЧФД с выходом по напряжению (рис. 7.7.4) и ЧФД с выходом по току; последний вариант чаще называют схемой подкачки заряда или «зарядовым насосом» (или СР - charge pump), о применении которого в схеме петли ФАПЧ уже упоминалось в параграфе 7.4. Заменив транзисторы VT1 и VT2 на рис. 7.7.2 на источники тока, как это показано на рис. 7.7.6, получаем схему ЧФД charge pump в обобщенном виде .

От того, какие импульсы – тока или напряжения - вырабатывает схема ЧФД, зависит тип подключаемого к выходу ЧФД петлевого фильтра; соответственно, различаются и характеристики всей петли ФАПЧ. На рис. 7.7.7 приведены часто встречающиеся варианты схем петлевых фильтров для «токового» и «потенциального» вариантов исполнения выходных каскадов ЧФД. Для улучшения фильтрующих свойств петлевого фильтра по отношению к импульсным помехам, проникающим с выхода ЧФД на управляющий вход ГУН, иногда применяют дополнительное фильтрующее звено (ДФЗ), элементы которого выделены на нижней схеме рисунка пунктиром. Операционный усилитель, включенный между петлевым фильтром и управляющим входом ГУН, служит буферным каскадом, уменьшающим нагрузку на фильтр со стороны входа ГУН. Сам операционный усилитель должен иметь при этом минимальный входной ток (пикоамперы) и низкий уровень собственных шумов. Напомним (см. параграф 7.4 и рис. 7.4.3), что токи утечки, возникающие в элементах (емкостях) петлевого фильтра или же ток нагрузки со стороны управляющего входа ГУН приводят к проникновению нежелательных составляющих с частотой сравнения и ее гармоник в спектр колебания ГУН.

Отдельно следует сказать о работе петли ФАПЧ, в которой применяется ЧФД с токовым выходом «charge pump», нагруженным на петлевой фильтр, в состав которого входит идеальное интегрирующее звено. В параграфе 7.4 уже было отмечено, что в этом случае петля ФАПЧ приобретает свойство астатизма, т.е. фазовая ошибка в установившемся синхронном режиме не зависит от начальной частотной расстройки ГУН относительно колебания опорного генератора и, в идеальном случае, всегда стремится к нулю. Покажем это на примере схемы, изображенной на рис. 7.7.6.

Пусть петля ФАПЧ имеет простейшую структуру, подобную изображенной на рис.7.7.3; это не снижает общности наших рассуждений. На Входе 1 ЧФД присутствует колебание опорного генератора с постоянной частотой w ОП = рj ОП (где р = d / dt – оператор дифференцирования, j ОП – линейно возрастающая полная фаза опорного колебания). На Входе 2 ЧФД присутствует, в свою очередь, колебание ГУН с частотой, зависящей от Е УПР (р) - управляющего воздействия ЧФД, передающегося через петлевой фильтр:

w ГУН = рj ГУН = w ГУН СВ. – 2pS ГУН Е УПР (р),

где j ГУН – полная фаза колебания ГУН, w ГУН СВ. – значение частоты ГУН без управляющего воздействия от ЧФД («свободное»), S ГУН – крутизна линейного участка статической модуляционной характеристики ГУН.

Для выделения информации содержащейся в изменении фазы
применяются фазовые детекторы. В фазовых детекторах для компенсации фазы
используется специально генерируемое гармоническое опорное колебание с частотой равной центральной частоте сигнала и информационной составляющей
. Эта начальная фаза может быть различной в конкретных применениях. Вид детекторных характеристик фазовых детекторов зависит от многих параметров: амплитуд сигнального и опорного напряжений, характеристик используемых нелинейных или параметрических элементов, способов введения опорного напряжения и схемы фазового детектора.

По последним двум признакам фазовые детекторы делятся:

– на фазовые детекторы векторомерного типа;

– фазовые детекторы коммутационного типа;

– фазовые детекторы перемножительного типа.

В первом случае образуется векторная сумма опорного и сигнального напряжений. Результирующее напряжение, амплитуда которого зависит от фазового сдвига между опорным и сигнальным напряжениями, подвергается амплитудному детектированию, в результате чего выделяется (с некоторыми искажениями) информационная составляющая фазы сигнала, если опорное напряжение обладает достаточной фазовой стабильностью а, следовательно, и частотной стабильностью.

Положим, что начальная фаза опорного напряжения равна нулю, а фаза сигнала, отсчитываемая от фазы опорного напряжения, – .

Тогда можно записать

Пусть выполняется условие, при котором амплитудный детектор всегда остается линейным и безынерционным с коэффициентом передачи детектора равным К д. При фазовом детектировании всегда выполняется условие, что амплитуда опорного напряжения намного больше амплитуды сигнала (
).

С учетом всего вышесказанного можно получить:

.

Детекторная характеристика фазового детектора, соответствующая вышеприведенному выражению, представлена на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Детекторная характеристика фазового детектора

Как видно из приведенной детекторной характеристики, последняя зависит от соотношения U с /U 0 . В окрестностях углов /2 и 3/2 на ней можно выделить относительно прямолинейные участки, пригодные для детектирования фазомодулированных сигналов. Детекторная характеристика фазового детектора периодична с периодом 2.

Простейший однотактный векторный фазовый детектор не отличается высокими качественными показателями – крутизной и линейностью детекторной характеристики. Поэтому применяются балансные фазовые детекторы, построенные по схеме и принципу аналогичному балансным преобразователям частоты (рис. 8.14).

Рис. 8.14. Принципиальная схема балансного фазового детектора

Диоды VD 1 и VD 2 амплитудных детекторов включены однополярно, а нагрузки – встречно. Выходное напряжение U вых образуется как разность напряжений, создаваемых каждым амплитудным детектором.

Напряжение сигнала приложено к диодам противофазно, а опорное – синфазно. Соответствующие векторные диаграммы представлены на рис. 8.15.



Рис. 8.15. Векторные диаграммы напряжений сигналов

Результирующая детекторная характеристика балансного фазового детектора имеет вид, представленный на рис. 8.16.

При =/2 (3/2) детекторные характеристики линейны и проходят через нуль, что весьма важно при применении фазового детектора в автоматических регуляторах частоты и фазы.

Следует отметить, что балансная схема фазового детектора весьма часто применяется в приемных устройствах.

Рис. 8.16. Результирующая детекторная характеристика балансного фазового детектора



Рекомендуем почитать