Фазовим детектором (ФД) називається пристрій, який служить для створення напруги, що змінюється відповідно до закону зміни фази вхідної напруги. Якщо на вхід ФД діє напруга
то продетектована напруга
Припустимо, на вході ФД діє напруга, показана на рис. 4, а тоді напруга на виході ФД повинна мати вигляд рис. 4, б.
Малюнок 4 - Вхідна (а) та вихідна (б) напруги ФД
Розглянутий випадок є типовим для фазового телеграфування, при якому початкові фази паузи та посилки відрізняються на 180є. При фазовій модуляції (ФМ) фаза плавно змінюється відповідно до інформації, що передається. Оскільки спектрі напруги на виході ФД є частотні складові, яких був у спектрі напруги, то реалізації ФД не можна використовувати лінійну систему з постійними параметрами. Фазове детектування не можна також здійснити за допомогою простої безінерційної лінійної системи. Наприклад, постійна складова струму діодного детектора залежить тільки від амплітуди вхідної напруги та не залежить від його фази та частоти. Тому ФД можна виконати на основі лінійної системи з змінними параметрами(Параметричної системи).
Структурна схема ФД показано на рис. 5. Ця схема збігається із структурною схемою перетворювача частоти; відмінність полягає лише в тому, що частота гетеродина (опорна напруга). Під впливом опорного напруги змінюється активний параметр схеми, зазвичай крутість S.
Малюнок 5 – Структурна схема ФД
Схема ФД збігається також зі схемою параметричного амплітудного детектора (АТ), тому продетектована напруга на виході ФД
де S 1 - амплітуда першої гармоніки крутості струму перетворювального елемента;
Фазове детектування здійснюється за допомогою параметричного ланцюга, в якому джерело опорної напруги має бути синхронним із джерелом сигналу.
Залежно від виду нелінійного ланцюга та способу його включення розрізняють однотактні, балансні та кільцеві ФД. Як нелінійний елемент використовують діоди і транзистори. Для нашої системи ми використовуватимемо однотактний ФД.
Детектор виконаний за однотактною схемою (рис. 6).
Малюнок 6 - Однотактний фазовий діодний детектор
Для здійснення фазового детектування до діода прикладається вхідний сигнал та опорна напруга; напруга на виході ФД визначається виразом (24), отриманим при припущенні, що. Характеристика детектування діодного ФД, згідно (24), близька до косінусоїди.
Принцип дії ФД за схемою рис. 5 можна пояснити, розглядаючи його не як параметричну ланцюг, бо як систему з амплітудним детектуванням суми двох гармонійних коливань (рис. 7, а). На виході такого амплітудного детектора діє сумарна напруга
Ці два коливання мають однакову частоту, але різні фази. В результаті векторного складання двох напруг (рис 7 б) отримують напругу тієї ж частоти, але іншої фази. Амплітуда сумарного коливання
Малюнок 7 - Система з АТ суми двох гармонійних коливань (а); векторне додавання двох напруг (б)
Напруга на виході АТ з коефіцієнтом передачі
Відповідно (27), напруга на виході ФД залежить від ц вхідного сигналу; вид залежності від ц визначається ставленням. У загальному випадку характеристика детектування суттєво відрізняється від косінусоїди (рис. 8, а). Якщо то
Фазовим детектором(ФД) називають пристрій, який служить для створення напруги, що змінюється відповідно до закону зміни фази вхідної напруги.
Якщо на вході ФД діє напруга
то продетектована напруга.
Припустимо, на вході ФД діє напруга (рис.111, а), тоді напруга на виході ФД повинна мати вигляд рис.111, б.
Малюнок 111 – Графіки напруги на вході та виході ФД
Розглянутий випадок є типовим для фазового телеграфування, при якому початкові фази паузи та посилки відрізняються на 180°.
При ФМ фаза плавно змінюється відповідно до інформації, що передається. Так як у спектрі напруги на виході ФД є частотні складові, яких не було в спектрі напруги, то для реалізації ФД не можна використовувати лінійну систему з постійними параметрами.
Фазове детектування не можна здійснювати за допомогою безінерційної нелінійної системи. Наприклад, постійна складова струму діодного детектора залежить тільки від амплітуди вхідної напруги та не залежить від його фази та частоти. Тому ФД можна виконувати на основі лінійної системи із змінними параметрами (параметричної системи).
Структурна схема ФД показано на рис.112. Ця схема збігається із структурною схемою перетворювача частоти; відмінність полягає лише в тому, що частота гетеродину ( опорна напруга)
Під впливом опорної напруги змінюється активний параметр схеми, зазвичай крутість .
Малюнок 112 – Структурна схема ФД
Схема ФД збігається також зі схемою параметричного АТ, тому продетектована напруга на виході ФД
, (12.1)
де - Амплітуда першої гармоніки крутості струму перетворювального елемента;
Залежно від виду нелінійного ланцюга та способу його включення розрізняють однотактні, балансні та кільцеві ФД.
Як нелінійний елемент використовують діоди і транзистори.
Види фазових детекторів
Однотактний діодний ФД.Детектор виконаний за однотактною схемою (рис.113).
Малюнок 113 – однотактний діодний ФД
Для здійснення фазового детектування до діода прикладається вхідний сигнал та опорна напруга; напруга на виході ФД визначається виразом (12.1), отриманим при .
Характеристика детектування діодного ФД, згідно (12.1), близька до косінусоїди.
Принцип дії ФДза схемою рис.112 можна пояснити, розглядаючи його не як параметричну ланцюг, бо як систему з амплітудним детектуванням суми двох гармонійних коливань () (рис.114, а).
На вході такого АТ діє сумарна напруга
Рисунок 114 – До питання принципу дії ФД
Ці два коливання мають однакову частоту, але різні фази.
В результаті векторного додавання двох напруг (рис.114, б) одержують напругу тієї ж частоти, але іншої фази.
Амплітуда сумарного коливання
.
Напруга на виході АТ з коефіцієнтом передачі
Відповідно (12.2), напруга на виході ФД залежить від вхідного сигналу; вид залежності від визначається ставленням.
У загальному випадку характеристика детектування істотно відрізняється від косінусоїди (рис.115, а).
Рисунок 115 – Характеристики детектування ФД
Якщо то
Таким чином, при малих амплітудах вхідного сигналу характеристика детектування однотактного діодного ФД має косинусоїдальну форму.
Якщо то
в цьому випадку характеристика детектування являє собою циклоїд (рис.115, б), що сильно відрізняється від косінусоїди.
Балансний ФД. Такий ФД є два діодних однотактних ФД (рис.116), кожен з яких працює на своє навантаження.
Малюнок 116 – Балансний ФД
В результаті цього на виході кожного плеча ФД створюється напруга та зустрічна полярність, тому
.
Вхідна напруга підводиться до діодів у протилежній полярності, тому фаза напруги відрізняється на 180 °.
У параграфі 7.4 було розглянуто цифрові синтезатори з непрямим синтезом частоти, однією з основних елементів можна назвати фазовий дискримінатор. Аналогічні пристрої застосовують у будь-яких цифрових системах фазової автопідстроювання частоти, що використовуються як для синтезуколивань з постійною частотою, так і для частотної чи фазової модуляції та демодуляціїВЧ сигналів. Параметри фазового дискримінатора визначають найвищу робочу частоту або частоту порівняння петлі ФАПЛ, а також такі найважливіші показники, як ширина смуги захвату та смуги утримання петлі ФАПЛ.
У цифрових системах ФАПЧ, переважно, використовують такі види фазових дискримінаторів:
· Фазовий детектор (ФД) на логічному елементі «Виключає АБО»;
· Фазовий детектор на RS-тригері або JK-тригері;
· Цифровий частотно-фазовий детектор (ЧФД).
Перші два типи детекторів характеризуються тим, що на їх виході є постійна напруга, пропорційне зсуву фаз при рівні частот вхідного і опорного сигналів, і биття, частота яких залежить від різниці частот цих сигналів, якщо ці частоти не рівні. При цьому биття можуть мати в деякому діапазоні розладів постійну складову, що приводить петлю ФАПЧ зрештою до захоплення частоти вхідного сигналу, але при досить великій частоті розладу. Зрозуміло, що у своїй смуга захоплення системи вже смуги утримання. Малюнок 7.7.1 ілюструє процес захоплення частоти системою ФАПЧ з ФД на логічному елементі «Виключає АБО» (показано залежність вихідної напруги ФД від часу, отриману шляхом моделювання роботи петлі ФАПЧ на ЕОМ). У разі початкова розлад частоти ГУН настільки велика, що биття вихідної напруги ФД є суто гармонійними та його стала складова дорівнює нулю, тобто. ФД не має налаштовує на ГУН (ліва частина рисунка). На ГУН подається зовнішнє керуючий вплив, що повільно зрушує його частоту до значення, при якому можливе захоплення частоти петлею ФАПЧ; при цьому форма биття вихідного коливання ФД починає відрізнятися від гармонійної, з'являється постійна складова, що впливає на середнє значення частоти ГУН (середня частина малюнка). У якийсь момент частота ГУН потрапляє в смугу захоплення петлі ФАПЧ - і відбувається захоплення: після короткого перехідного процесу на виході ФД встановлюється постійна напруга, пропорційна різниці фаз опорного коливання та коливання ГУН, що надходять на ФД (права частина малюнка).
На відміну від фазових детекторів, у частотно-фазового детектора при будь-яких частотних розладах на виході немає биття, але є постійна напруга, що підлаштовує регульований генератор так, щоб зменшити цю розлад. Таким чином, вихідна напруга ЧФД є функцією як різниці фаз (у синхронному режимі), так і різниці частот (у разі відсутності синхронізму) коливань, що надходять на нього. Завдяки цьому в системі ФАПЧ, що містить цифровий частотно-фазовий детектор, смуга захвату дорівнює смузі утримання.
На рис.7.7.2 показано структуру найпростішого цифрового ЧФД, побудованого двома D-тригерах. Стану їх виходів визначають роботу транзисторних ключів VT1, VT2 наступним чином.
Q1=1, Q2=1 - елемент «логічне І» DD3 виставляє своєму виході логічну 1, яка через пристрій затримки подається на входи CLR тригерів, скидаючи їх виходи 0.
Q1 = 0, Q2 = 0 - обидва ключі розімкнуті, вихід ЧФД - у третьому стані.
Q1=1, Q2=0 - ключ VT1 замкнутий, VT2 розімкнутий, на виході ЧФД напруга, близька до напруги живлення, що відповідає логічній 1.
Q1=0, Q2=1 - ключ VT1 розімкнутий, VT2 замкнутий, на виході ЧФД напруга, близька до нуля, що відповідає логічному 0.
Розглянемо поведінку схеми у разі, коли частота сигналу на Вході 1 вище за частоту на Вході 2, рис.7.7.3А. З малюнка видно, що при цьому одиниця на виході ЧФД з'являтиметься частіше, ніж 0 (тригери спрацьовують по позитивному фронту на синхровході), частота ГУН підтягуватиметься вище, до частоти опорного генератора (передбачається, що ГУН виконаний з використанням варикапа). Це продовжуватиметься доти, доки частоти не стануть рівними, що призведе до захоплення частоти ГУН. У разі, коли у вихідному стані частота ГУН значно вища за частоту опорного генератора, на виході ЧФД буде переважати 0, знижуючи частоту ГУН аж до її захоплення петлею ФАПЧ.
Сучасні ЧФД випускаються у вигляді ІМС, і можуть працювати на частотах до 200 МГц, що дозволяє їх використовувати в трактах ПЧ радіопередаючих пристроїв сучасних стандартів зв'язку. Вони мають засоби для усунення зони нечутливості фази, розташованої в центрі фазової характеристики. Прикладом сучасної мікросхеми ЧФД може бути AD9901, структура якої представлена на рис. 7.7.4. Принципово вона відрізняється від розглянутої (рис. 7.7.2) наявністю дільників частоти вхідних сигналів на D-тригерах. Вони забезпечують фазовому дискримінатору, виконаному на елементі «Виключає АБО», прямокутні коливання для поліпшення його роботи, а також зсувають зону нечутливості з центру фазової характеристики її краю.
Вигляд характеристики такого ЧФД показано на рис. 7.7.5, де видно зони нечутливості та нелінійності залежно від робочої частоти детектора. Зазначимо, що на частотах сотні кГц ця характеристика має лінійну ділянку довжиною на всі 360°.
Існують два різновиди ЧФД, що відрізняються за способом побудови їх вихідних каскадів: ЧФД з виходом за напругою (рис. 7.7.4) та ЧФД з виходом по струму; останній варіант частіше називають схемою підкачування заряду або «зарядним насосом» (або СР - charge pump), про застосування якого у схемі петлі ФАПЧ вже згадувалося у параграфі 7.4. Замінивши транзистори VT1 та VT2 на рис. 7.7.2 на джерела струму, як показано на рис. 7.7.6, отримуємо схему ЧФД charge pump в узагальненому вигляді.
Від того, які імпульси - струму або напруги - виробляє схема ЧФД, залежить тип петлевого фільтра, що підключається до виходу ЧФД; відповідно, розрізняються і показники всієї петлі ФАПЧ. На рис. 7.7.7 наведені варіанти схем петлевих фільтрів, що часто зустрічаються, для «струмового» і «потенційного» варіантів виконання вихідних каскадів ЧФД. Для поліпшення фільтруючих властивостей петлевого фільтра по відношенню до імпульсних перешкод, що проникає з виходу ЧФД на вхід ГУН, що управляє, іноді застосовують додаткову фільтруючу ланку (ДФЗ), елементи якого виділені на нижній схемі малюнка пунктиром. Операційний підсилювач, включений між петльовим фільтром і управляючим входом ГУН, служить буферним каскадом, що зменшує навантаження на фільтр з боку входу ГУН. Сам операційний підсилювач повинен мати при цьому мінімальний вхідний струм (пікоампери) та низький рівеньвласних шумів. Нагадаємо (див. параграф 7.4 та рис. 7.4.3), що струми витоку, що виникають в елементах (ємностях) петльового фільтра або струм навантаження з боку керуючого входу ГУН призводять до проникнення небажаних складових з частотою порівняння та її гармонік у спектр коливання ГУН .
Окремо слід сказати про роботу петлі ФАПЧ, в якій застосовується ЧФД з струмовим виходом "charge pump", навантаженим на петльовий фільтр, до складу якого входить ідеальна ланка, що інтегрує. У параграфі 7.4 вже було зазначено, що у разі петля ФАПЧ набуває властивість астатизму, тобто. фазова помилка в встановленому синхронному режимі залежить від початкової частотної розлади ГУН щодо коливання опорного генератора і, у ідеальному разі, завжди прагне нулю. Покажемо це з прикладу схеми, зображеної на рис. 7.7.6.
Нехай петля ФАПЧ має найпростішу структуру, подібну до зображеної на рис.7.7.3; це не знижує спільності наших міркувань. На Вході 1 ЧФД є коливання опорного генератора з постійною частотою w ОП = рj ОП (де р = d / dt - оператор диференціювання, j ОП - лінійно зростаюча повна фаза опорного коливання). На Вході 2 ЧФД присутній, у свою чергу, коливання ГУН з частотою, яка залежить від Е УПР (р) - керуючого впливу ЧФД, що передається через петлевий фільтр:
w ГУН = рj ГУН = w ГУН СВ. - 2pS ГУН Е УПР (р),
де j ГУН - повна фаза коливання ГУН, w ГУН СВ. – значення частоти ГУН без керуючого впливу від ЧФД («вільне»), S ГУН – крутість лінійної ділянки статичної модуляційної характеристики ГУН.
У пристроях для прийому сигналів з фазовою модуляцією, системах фазової автопідстроювання частоти, а також у ряді інших автоматичних пристроїв необхідно отримувати напругу, амплітуда якої визначається зрушенням фаз між двома коливаннями. Отримати таку напругу можна за допомогою фазових детекторів (ФД).
Як і інших детекторах, найважливішою характеристикою ФД є детекторна характеристика. Вона є залежністю амплітуди вихідної напруги від різниці фаз між напругою сигналу і опорною напругою. Опорна напруга має частоту, що дорівнює частоті сигналу, і постійну фазу, щодо якої відраховується фаза сигналу. Однією з основних вимог, що висуваються до детекторної характеристики, є її лінійність робочому ділянці. Лінійність детекторної характеристики необхідна забезпечення мінімальних нелінійних спотворень, внесених ФД.
У найпростішому ФД напруга сигналу U cта опорна напруга Uоп послідовно складаються, а сума напруг U𝛴 подається на амплітудний детектор. Як відомо, при складанні двох синусоїдальних напруг однакової частоти амплітуда сумарної напруги U𝛴 залежить від зсуву фаз φ (рисунок 6.3). Іншими словами, сумарна напруга виявляється промодульованою за амплітудою за законом фазової модуляції сигналу:
де U𝛴 - амплітуда сумарної напруги; Uоп - амплітуда опорної напруги; U c- Амплітуда сигналу; φ - кут зсуву фаз між сигналом та опорною напругою, що змінюється за законом модулюючого сигналу.
Амплітудно-модульована напруга зазвичай детектується амплітудним детектором. Детекторна характеристика описуватиметься виразом
де-коефіцієнт передачі амплітудного детектора.
Можлива схема найпростішого ФД представлена малюнку 2.4. Детекторна характеристика показано малюнку 2.5.
Як випливає з малюнка 2.5, у межах невеликих ділянок АВ та CDдетекторну характеристику вважатимуться лінійною.
Для того, щоб розширити лінійну ділянку залежності U вих(φ) і зробити її симетричною щодо відхилення фази від деякого початкового значення застосовують балансний ФД, схема якого представлена на малюнку 2.6.
Малюнок 2.1 – Додавання двох синусоїдальних напруг однакової частоти
Малюнок 2.2 – Схема фазового детектора
Малюнок 2.3 – Детекторна характеристика фазового детектора
Малюнок 2.4 – Схема балансного фазового детектора
Напруга сигналу, що детектується U cпідводиться за допомогою трансформатора Тдо діодів VD1і VD2із взаємно протилежними фазами, тобто напруги U" cі U" cпротифазні. Опорна напруга Uоп підводиться до діодів у однаковій фазі. Як випливає з рис. 7.36, балансний ФД є поєднанням двох найпростіших ФД, показаних на рис. 7.34. Вихідна напруга U"вих і U"вих мають взаємно протилежні знаки, а загальна вихідна напруга дорівнює різниці напруг U"вих і U"вих.
Вважаючи коефіцієнти передачі детекторів на діодах VD1і VD2однаковими та рівними Kд, отримуємо
Характеристика проходить через 0 при φ=90° та φ=270° (рисунок 5.7). Полярність вихідної напруги залежить від знаку відхилення фази?
Ступінь лінійності характеристики залежить від співвідношення амплітуд напруг Uоп і U c .Найкраща лінійність виходить за Uоп = U c. В цьому випадку
Ще менші нелінійні спотворення можна отримати у кільцевому балансному ФД, схема якого показано малюнку 6.8.
Малюнок 2.5 – Детекторна характеристика балансного фазового детектора
Малюнок 2.6 – Схема кільцевого балансного фазового детектора
З порівняння схем малюнку 6.6 і малюнку 6.8 випливає, що кільцевий детектор і двох звичайних балансних, які працюють на загальне навантаження. У кільцевому балансному детекторі струми парних гармонік кожного з двох балансних детекторів у навантаженні протікають назустріч одне одному і за повної симетрії схеми взаємно компенсуються. За рахунок цього досягається менший рівень нелінійних спотворень.
Фазовий детектор, фазовий компаратор(ФД) - електронний пристрій, що порівнює фази двох вхідних сигналів рівних або близьких частот
На вхід ФД подаються два сигнали, фази яких потрібно порівняти, на виході ФД формується сигнал, зазвичай напруги, пропорційний різниці фаз вхідних сигналів.
Енциклопедичний YouTube
1 / 3
Лекція №4. Балансна та квадратурна модуляція
Синтезатор сітки частот та його характеристики
Синтезатор сітки частот із ФАПЧ
Субтитри
Типи ФД
Виключне АБО
Найпростіший ФД – логічний елемент ВИКЛЮЧНЕ АБО. При подачі на вхід цього елемента двох прямокутних коливань рівних частот з нульовим фазовим зсувом його вихідна напруга дорівнює нулю (логічний 0). При ненульовому зрушенні фаз на виході елемента формуються імпульси, середнє значення яких прямо пропорційно фазовому зсуву і досягає максимуму (на виході логічна 1) при рівному зсуві π. Для усереднення імпульсного вихідного сигналу на виході цього фільтра встановлюють фільтр нижніх частот (ФНЧ).
Балансний змішувач
Інший тип ФД – це чотириквадрантні перемножувачі двох вхідних сигналів, які часто називають балансними змішувачами. На виході балансного змішувача присутні подвоєна частота вхідних сигналів і постійна складова, пропорційна різниці фаз, що випливає з виразу:
sin α cos β = sin (α - β) 2 + sin (α + β) 2 ≈ α - β 2 + sin (α + β) 2 (\displaystyle \sin \alpha \cos \beta = (\sin(\alpha -\beta) \over 2)+(\sin(\alpha +\beta) \over 2)\approx (\alpha -\beta \over 2)+(\sin(\alpha +\) beta) \over 2))Синус малого кута тут приблизно замінений самим кутом. Складова з подвоєною частотою може бути легко фільтрована за допомогою ФНЧ.
Схемотехнічно балансні змішувачі зазвичай будуються за схемою Гілберта.
ФД, що спрацьовують по фронтах вхідних сигналів
ФД цього чутливі до відносному положенню фронтів вхідних сигналів. Наприклад, якщо сигнал А випереджає сигнал Б, то на виході цього ФД формуються імпульси позитивної полярності з тривалістю пропорційної різниці фаз і частотою повторення рівної частоті вхідних сигналів. Якщо сигнал Б випереджає сигнал А, то виході формуються імпульси негативної полярності. Для отримання вихідної напруги, пропорційної різниці фаз на виході ФД застосовують ФНЧ.
Застосування ФД
Традиційне застосування ФД - в стежать системах автопідстроювання частоти, де ФД, спільно з генератором змінної частоти, керований напруженням (ГУН) включені в контур негативного зворотного зв'язку. Сигналом завдання для цієї системи автоматичного регулювання є частота вхідного сигналу, а ФД є пристроєм, що порівнює. У передатну функцію ФНЧ, встановленому на виході ФД перед ГУН, додатково вводять нуль, для забезпечення запасу стійкості по фазі. У найпростішому випадку, якщо ФНЧ є RC-фільтром НЧ, то нуль у передавальній функції можна отримати увімкнувши резистор з потрібним опором послідовно з конденсатором фільтра.
Також ФД використовуються у синтезаторах, помножувачах та дільниках частот. У цих системах на вхід ФД подаються не самі сигнали, а сигнали, отримані в результаті множення, поділу, сум та різниць необхідних частот.
У радіозв'язку ФД застосовується в системах автопідстроювання частоти гетеродина в супергетеродинних радіоприймачів.
У телефонії ФД застосовується у пристроях декодування тонального дзвінка.
При стабілізації частоти обертання шпинделів і валів однією з входів ФД подається сигнал від опорного генератора, другий - імпульси від міток частотного датчика оборотів, і вихідний сигнал ФД управляє не ГУН, а електричним приводом вала.