Фазовые детекторы

В различных радиотехнических устройствах возникает необходимость в измерении фазы гармонического колебания. Оно обычно осуществляется путем сравнения измеряемого колебания с так называемым опорным колебанием. Устройство, выходное напряжение которого определяется разностью фаз сравниваемых гармонических колебаний, называется фазовым детектором.

В соответствии с определением фазовый детектор является шестиполюсником, имеющим два входа и один выход (рис. 7.).

На входы шестиполюсника, который работает в нелинейном режиме, подаются два напряжения:

u₁ (t) = U₁ cos (w₁t + j₁), u₂ (t) = U₂ cos (w₂t + j₂).

В результате нелинейного преобразования этих напряжений на выходе фазового детектора образуется широкий спектр комбинационных частот, среди которых будет разностная частота:

u_ВЫХ (t) = k_ФД U₁ U₂ cos[(ω₁ - ω₂) t + φ₁- φ₂],

где k_ФД - коэффициент, зависящий от схемы детектора; φ₁ и φ₂ -начальные фазы. Если оба входных напряжения имеют одинаковую частоту (ω₁=ω₂), то

u_ВЫХ (t) = k_ФД U₁ U₂ cos(φ₁- φ₂), (16)

т. е. выходное напряжение фазового детектора оказывается постоянным и пропорциональным разности начальных фаз сравниваемых напряжений. Такой режим работы фазового детектора характерен для фазометрических систем. Если входные напряжения имеют разную частоту (ω₁≠ω₂), то

u_ВЫХ (t) = k_ФД U₁ U₂ cos φ _{ω 1} (17)

В этом случае выходное напряжение фазового детектора периодически изменяется и оказывается пропорциональным мгновенному значению разности фаз сравниваемых напряжений. Подобный режим работы фазового детектора имеет место, например, в системах автоматической подстройки частоты. Основной для фазового детектора является детекторная характеристика

U_ВЫХ = F (φ) (18)

— зависимость его выходного напряжения от разности фаз сравниваемых напряжений. Детекторную характеристику снимают при подведении к входу детектора двух чисто гармонических колебаний одинаковой частоты; она имеет вид, показанный на рис. 8. Основными параметрами фазового детектора являются крутизна характеристики

S_ФД = (19)

и коэффициент передачи напряжения. Последний представляет собой отношение величины максимального выходного напряжения к амплитуде входного (измеряемого) напряжения:

K_ФД = U_{ВЫХ max}/ U_ВХ. (20)

Кроме того, важными параметрами фазового детектора являются его входное и выходное сопротивление, а также величина искажений, вносимых детектором.

Рис. 9.

Рис. 8.

Рис. 7.

Наибольшее распространение получила схема балансного фазового детектора (рис. 9. а).

Как следует из рис. 9.а, балансный фазовый детектор состоит из двух включенных встречно диодных АМ-детекторов, нагрузкой которых являются цепочки RC. Одно из входных напряжений подводится к схеме через трансформатор Tp₁ с выводом средней точки, В результате этого напряжения U'₁ и U''₁ действуют на диоды Д₁ и Д₂ в противофазе. Второе напряжение U₂ подается через трансформатор Тр₂ и действует на диоды Д₁ и Д₂ в фазе.

Таким образом, на каждом из диодов действует сумма двух напряжений:

u_Д1 = u₁' + u₂, u_Д2 = u₂ – u₁'',

Напряжения u_Д1 и u_Д2 детектируются амплитудными детекторами, на выходе которых возникают напряжения

U_ВЫХ1 = K_dU_Д1 и U_ВЫХ2 = K_dU_Д2

где K_d — коэффициент передачи амплитудного детектора.

Напряжение на выходе фазового детектора равно разности выходных напряжений амплитудных детекторов:

U_ВЫХ = U_ВЫХ1 - U_ВЫХ2 =K_d () (21)

При равенстве частот сравниваемых колебаний (w₁=w₂) и при отсутствии угловой модуляции (21) превращается в аналитическое выражение детекторной характеристики балансного фазового детектора, из которой с помощью дифференцирования определяется крутизна его характеристики:

S_ФД = - . (22)

В тех случаях, когда амплитуду одного из входных напряжений выбирают намного больше амплитуды другого, например U₂<<U₁ выражения (21) и (22) сильно упрощаются:

U_ВЫХ ≈ 2K_d U₁cosj, (23)

S_ФД ≈ -2 K_d U₁ . (24)

Дата добавления: 2014-12-07