Вопрос 2. Фазовые детекторы

В устройствах для приема сигналов с фазовой модуляцией, в системах фазовой автоподстройки частоты, а также в ряде других автоматических устройств необходимо получать напряжение, амплитуда которого определяется сдвигом фаз между двумя колебаниями. Получить такое напряжение можно с помощью фазовых детекторов (ФД).

Как и в других детекторах, важнейшей характеристикой ФД является детекторная характеристика. Она представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от разности фаз между напряжением сигнала и опорным напряжением. Опорное напряжение имеет частоту, равную частоте сигнала, и постоянную фазу, относительно которой отсчитывается фаза сигнала. Одним из основных требований, предъявляемых к детекторной характеристике, является ее линейность на рабочем участке. Линейность детекторной характеристики необходима для обеспечения минимальных нелинейных искажений, вносимых ФД.

В простейшем ФД напряжение сигнала U_c и опорное напряжение U _оп последовательно складываются, а сумма напряжений U _𝛴 подается на амплитудный детектор. Как известно, при сложении двух синусоидальных напряжений одинаковой частоты амплитуда суммарного напряжения U _𝛴 зависит от сдвига фаз φ (рисунок 6.3). Другими словами, суммарное напряжение оказывается промодулированным по амплитуде по закону фазовой модуляции сигнала:

,

где U _𝛴 — амплитуда суммарного напряжения; U _оп— амплитуда опорного напряжения; U_c — амплитуда сигнала; φ — угол сдвига фаз между сигналом и опорным напряжением, изменяющийся по закону модулирующего сигнала.

Амплитудно-модулированное напряжение обычным образом детектируется амплитудным детектором. Детекторная характеристика будет описываться выражением

,

где— коэффициент передачи амплитудного детектора.

Возможная схема простейшего ФД представлена на рисунке 2.4. Детекторная характеристика показана на рисунке 2.5.

Как следует из рисунка 2.5, в пределах небольших участков АВ и CD детекторную характеристику можно считать линейной.

Для того чтобы расширить линейный участок зависимости U_вых (φ) и сделать ее симметричной относительно отклонения фазы от некоторого начального значения, применяют балансный ФД, схема которого представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.1 – Сложение двух синусоидальных напряжений одинаковой частоты

Рисунок 2.2 – Схема фазового детектора

Рисунок 2.3 – Детекторная характеристика фазового детектора

Рисунок 2.4 – Схема балансного фазового детектора

Напряжение детектируемого сигнала U_c подводится с помощью трансформатора Т к диодам VD1 и VD2 со взаимно противоположными фазами, т. е. напряжения U'_c и U"_c противофазны. Опорное напряжение U _оп подводится к диодам в одинаковой фазе. Как следует из рис. 7.36, балансный ФД представляет собой сочетание двух простейших ФД, показанных на рис. 7.34. Выходные напряжения U' _вых и U" _вых имеют взаимно противоположные знаки, а общее выходное напряжение равно разности напряжений U' _вых и U" _вых.

Полагая коэффициенты передачи детекторов на диодах VD1 и VD2 одинаковыми и равными K _д, получаем

.

Характеристика проходит через 0 при φ=90° и φ=270° (рисунок 5.7). Полярность выходного напряжения зависит от знака отклонения фазы φ.

Степень линейности характеристики зависит от соотношения амплитуд напряжений U _оп и U_c. Наилучшая линейность получается при U _оп= U_c. В этом случае

.

Еще меньшие нелинейные искажения можно получить в кольцевом балансном ФД, схема которого показана на рисунке 6.8.

Рисунок 2.5 – Детекторная характеристика балансного фазового детектора

Рисунок 2.6 – Схема кольцевого балансного фазового детектора

Из сравнения схем на рисунке 6.6 и рисунке 6.8 следует, что кольцевой детектор состоит из двух обычных балансных, работающих на общую нагрузку. В кольцевом балансном детекторе токи четных гармоник от каждого из двух балансных детекторов в нагрузке протекают навстречу друг другу и при полной симметрии схемы взаимно компенсируются. За счет этого и достигается меньший уровень нелинейных искажений.

Дата добавления: 2014-01-07