§ 7.4. Фазовые детекторы

Фазой гармонического колебания является аргумент синусоидальной или косинусоидальной функции, описывающей это колебание. В общем случае она содержит несколько составляющих, обусловленных различными

причинами. Так, в гармоническом к лебании вида

и /7cos[w₀r^<p(r)-r-cp_Ha4l (7.4

w₀t — линейно нарастающая фаз Ф (/) — детерминированная или сл чайная функция, отображающая пр цесс фазовой модуляции или действ помех; ф_нач — начальная фаза, т. фаза при t = 0, ц> (t) = 0.

Выделение информации, содерж щейся в составляющей ф (t), требу знания остальных составляющих учета их при проектировании и нас ройке реальных устройств, осущест ляющих детектирование фазомодул рованных (ФМ) колебаний.

В фазовых детекторах для компе сации фазы со₀^ используется сп циально генерируемое гармоническ опорное колебание с частотой, равн< центральной частоте сигнала, иен чальной фазой, обеспечивающей н илучшие условия выделения информ ционной составляющей ф (г). Эта н чальная фаза может быть различной конкретных применениях.

Выражения детекторных характ ристик для различных фазовых дете торов зависят от многих параметров амплитуд сигнального и опорного н пряжений, характеристик использу мых нелинейных или параметрическ! элементов, способа введения опорн го напряжения и схемы фазового л тектора. По последним двум призн кам различают фазовые детектор векторомерного и коммутационно типов. Рассмотрим эти разновидн сти фазовых детекторов.

Фазовые детекторы векторомерн го типа. В детекторах этого типа обр зуется векторная сумма опорного сигнального напряжений. Результ рующее напряжение, амплитуда кот рого зависит от фазового сдвига меж, опорным и сигнальным напряжени ми, подвергается амплитудному дете тированию, в результате чего выл ляется (с некоторыми искажениям информационная составляющая фа; сигнала, если опорное напряжение о ладает достаточной фазовой (а след вательно, и частотной) стабильность!

Положим, что начальная фаза опорного напряжения равна нулю, а фаза сигнала отсчитываемая от фазы опорного напряжения, — <р_с. Тогда можно записать:

(7.45)

Пусть выполняются условия, при которых амплитудный детектор всегда остается линейным и безынерцион-

ным (U_e С/о) с коэффициентом передачи К- - Ка -• К_я. При этом

U- = К_яУ U₀+U_e+2U₀U_ccos<f_c

-K_aU_oy И -gj-H 2^05^.(7.46)

Как видим, детекторная характеристика зависит от соотношения UJU₀. Примерный вид ее изображен на рис. 7.28 (с сохранением постоянной составляющей за счет детектирования опорного напряжения). В окрестности углов ф_с = я/2 и ф_с = =- Зл/2 на ней можно выделить относительно прямолинейные участки, пригодные для детектирования ФМ-сигналов. Детекторная характеристика фазового детектора периодична с периодом 2л.

Простейший однотактный векторо-мерный фазовый детектор не отличается высокими качественными показателями — крутизной, линейностью детекторной характеристики. Практически применяют балансные фазовые детекторы, по схеме и принципу действия аналогичные балансным преобразователям частоты. На рис. 7.29 изображена схема балансного фазового векторомерного детектора с диодными детекторами в каждом плече. Диоды Д_д и Д₂ амплитудных детекторов включены однополярно, а нагрузки — встречно. Выходное напряжение £/_ образуется как разность напряжений, создаваемых каждым из амплитудных детекторов. Напряжение сигнала приложено к диодам про-тивофазно, а опорное — синфазно. Напряжения на диодах Д, и Д₂ равны:

(7.47;

Векторные соотношения (7.47) иллюстрируются векторными диаграммами рис. 7.30 для разных углов ф_с. Как видно, при ф_с — л/2 11 О, при ф_с <z я/2 U- \> 0, при ф_с >> > л/2 U_ < 0 (при данном включении диодов и отсчете U сверху вниз).

Результирующая детекторная характеристика балансного фазового детектора изображена на рис. 7.31. Важным свойством этой характеристики является то, что она проходит через нуль при ф_с = л/2 (Зя/2), что необходимо для применения фазового детектора в автоматических регуляторах частоты и фазы. Линейные участки этой характеристики в районе углов ф_с = л/2 (Зя/2) более протяженны, чем у однотактного детектора, а крутизна выше. Найдем аналитически выходное напряжение балансного ФД при прежних предположениях и полной симметрии схемы:

Это довольно сложная функция фазового угла ф_с и амплитуд сигнального и опорного напряжений.

Если U₀U_D/(Ul + c/*/4) cos ф_с « С 1, то, разлагая слагаемые в скобках в ряды (Vl ± а да 1 ± а/2) с учетом только первых двух членов разложения, можно получить

^т- е. детекторная характеристика в окрестности углов ф_с Щ л/2 (Зя/2) имеет вид косинусоиды.

Если дополнительно \U_r \ |с7₀|, то •

^- = /C_et7_ccos <i,.,

(7.49)

Рис. 7.31

Легко видеть, что при выполнен неравенства \U__C\ > |i/₀| детекторн характеристика ФД описывается в ражением

U.. =/ч_д(_/₀со*ф_с. (7.49

При этом отпадает надобность амплитудном ограничителе в кана сигнала.

При равенстве амплитуд сигнал ного и опорного напряжений на ка; дом из диодов, т. е. при \U₀\ = \UJ' получаем

(7.5

В этом случае детекторная хара теристика оказывается наиболее л нейной на интервалах 0 — л и я — 2л (пунктир на рис. 7.31). В точк; ф_с = я, 2я и т. д. она претерпева разрывы (точки излома).

В общем случае крутизна детекто ной характеристики

Амплитудные детекторы на ди дах Д, и Д_г к вторичной обмотке си нального трансформатора подключ ны не полностью. Их входные сопр тивления шунтируют половины вт

У'

ричной обмотки трансформатора с коэффициентом трансформации n_v Поэтому полное входное сопротивление по отношению к источнику сигнала

^вх-с — ^BXl +Я_Вх2- (7.54)

В частности, для линейных детекторов R_BXl = #_вх2 == RI2 и R_BXC = = R. По отношению к источнику опорного напряжения амплитудные детекторы включены параллельно. Соответственно

(7.55)

Заметим, что для амплитудных детекторов должны быть выполнены условия безынерционности RCQ_B < < У(1 — т*)/т (Q_a — верхняя частота спектра функции, модулирующей фазу сигнала), причем в случае |£/»1> > \U__C\ т да UJ(U₀2). Если \ТГ₀\ = — \U_c\/2, то условие безынерционности формально не выполняется и требуется ограничивать диапазон изменения угла ф_с.

Фазовые детекторы коммутационного типа. В рассмотренных векторо-мерных ФД свойства детектора зависят как от амплитуды опорного напряжения, так и от амплитуды сигнала. Это объясняется тем, что в состав ФД входят нелинейные элементы. Однако в случае |t/_₀| > |<7_С| и при наличии линейных амплитудных детекторов фактически они работают как коммутационные детекторы, так как при этом опорное напряжение скачком изменяет параметр (проводи-

мость) диодов. В общем случае для коммутационных ФД подобное изменение параметра цепи является характерным признаком, а векторное сложение сигнального и опорного напряжений не обязательно, т. е. они могут действовать в различных точках схемы ФД. При этом ФД подобен преобразователю частоты, в котором сигнальное и гетеродинное напряжения прикладываются к различным электродам преобразовательного элемента (или к различным активным приборам, образующим сложный преобразовательный элемент). Различия между векторомерными и коммутационными ФД проявляются только при воздействии сложных сигналов, так как они обладают различными нелинейными свойствами.

Схема коммутационного ФД приведена на рис. 7.32. В состав ФД входят два коммутируемых элемента (ключа) Ki и К₂, включенных таким образом, что опорное напряжение подается на них синфазно и не вызывает появления напряжения на выходе ФД.

Роль ключей могут играть полевые или биполярные транзисторы, а роль источника питания — источник опорного напряжения, который при этом должен обладать необходимой мощностью. Опорное напряжение может выполнять роль управляющего напряжения и подаваться на бестоковый (или малотоковый) электрод коммутируемого элемента (например, второй затвор полевого транзистора). Обычно и₀ представляет собой квадратную волну напряжения, сформированную из синусоиды частоты w₀ путем двустороннего ограничения.

Напряжение сигнала подводится к управляющим электродам коммутируемых элементов противофазно, изменяя токи, которые проходят через них в открытом состоянии, в противоположные стороны. При этом в зависимости от соотношения фаз опорного и сигнального напряжений будут изменяться постоянные составляющие токов и i₂ коммутируемых элементов.

В схеме рис. 7.32 применен фазо-расщепляющий входной трансформатор. Однако для этой цели может использоваться и любое другое фазорас-щепляющее устройство, например усилитель с разделенной нагрузкой, двухкаскадный усилитель с эмиттер-ной (истоковой) связью. Эти устройства особенно целесообразны для схем ФД в микроэлектронном исполнении. Работа схемы поясняется эпюрами напряжений и токов на рис.7.33, а, б. Видно, что при ф_е = 0 площадь импульсов тока i, увеличивается, а площадь импульсов тока i.₂ уменьшается, т. е. постоянная составляющая тока /, получает положительное приращение (А/-,), а постоянная составляющая тока 1_г — отрицательное приращение (— А/_₂). Выходное напряжение получает приращение д£У_ —

При фазовом сдвиге ф_с = л/2 приращения площадей импульсов то-

ка не получается. Соответственно i изменяются и постоянные составля! щие токов i"₂. При этом выходи напряжение равно нулю. При ф_с = 0 *т- л/2 имеются промежуточн! значения U_ между V_ = О и U_

U-max- ^ПР^И Фс ⁼ л/2 -г- Л КО]

мутируемые элементы К\, К2 меняю ся местами и изменяется полярное выходного напряжения.

Анализ схемы рис. 7.32 и друп схем коммутационных ФД дает сл дующее уравнение детекторной хара теристики:

(7.5

где Л*_Фд — коэффициент переда< ФД:

(7.5

различный для конкретных схем свойств коммутируемых элементов.

Рис. 7.34

Для рассмотренной схемы ФД при использовании транзисторов или вакуумных триодов и при условии

/Сфд да - SR, где S — крутизна лампы или транзистора; R_t — внутреннее сопротивление.

Как и преобразователь частоты, ФД можно представить в виде перемножителя, дополненного фильтром нижних частот (ФНЧ), как показано на рис. 7.34. Действительно, перемножив напряжение сигнала и_с и опорное напряжение ы₀, получим:

на выходе перемножителя

что полностью совпадает с равенством (7.56) при условии Кфд. = =? KnUJ2, где К_п — коэффициент передачи перемножителя, В^-1.

Такое представление ФД является основой для реализации его на микросхемах. В качестве перемножителя находят применение микросхемы аналоговых перемножителей и балансных модуляторов, например К526ПС1,

К140МА1, а также микросхемы различных усилителей с регулируемым коэффициентом усиления (К174УР1, К174УРЗ, К526УР и др.), номенклатура и диапазон рабочих частот которых постоянно увеличиваются.