Тема 12. Назначение, структурная схема фазовых детекторов

Фазовым детектором (ФД) называют устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения.

Если на входе ФД действует напряжение

,

то продетектированное напряжение .

Положим, на входе ФД действует напряжение (рис.111, а), тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рис.111, б.

Рисунок 111 – Графики напряжений на входе и выходе ФД

Рассмотренный случай является типичным для фазового телеграфирования, при котором начальные фазы паузы и посылки отличаются на 180°.

При ФМ фаза плавно изменяется в соответствии с передаваемой информацией. Так как в спектре напряжения на выходе ФД имеются частотные составляющие, которых не было в спектре напряжения , то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами.

Фазовое детектирование нельзя также осуществлять с помощью безынерционной нелинейной системы. Например, постоянная составляющая тока диодного детектора зависит только от амплитуды входного напряжения и не зависит от его фазы и частоты. Поэтому ФД можно выполнять на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).

Структурная схема ФД показана на рис.112. Эта схема совпадает со структурной схемой преобразователя частоты; отличие состоит лишь в том, что частота гетеродина (опорное напряжение)

.

Под действием опорного напряжения меняется активный параметр схемы, обычно крутизна .

Рисунок 112 – Структурная схема ФД

Схема ФД совпадает также со схемой параметрического АД, поэтому продетектированное напряжение на выходе ФД

, (12.1)

где - амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;

.

В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД.

В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы.

Виды фазовых детекторов

Однотактный диодный ФД. Детектор выполнен по однотактной схеме (рис.113).

Рисунок 113 – Однотактный диодный ФД

Для осуществления фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение на выходе ФД определяется выражением (12.1), полученным при .

Характеристика детектирования диодного ФД, согласно (12.1), близка к косинусоиде.

Принцип действия ФД по схеме рис.112 можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний ( ) (рис.114, а).

На входе такого АД действует суммарное напряжение

.

Рисунок 114 – К вопросу принципа действия ФД

Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы.

В результате векторного сложения двух напряжений (рис.114, б) получают напряжение той же частоты, но другой фазы.

Амплитуда суммарного колебания

.

Напряжение на выходе АД с коэффициентом передачи

. (12.2)

Согласно (12.2), напряжение на выходе ФД зависит от входного сигнала; вид зависимости от определяется отношением .

В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис.115, а).

Рисунок 115 – Характеристики детектирования ФД

Если , то

.

Таким образом, при малых амплитудах входного сигнала характеристика детектирования однотактного диодного ФД имеет косинусоидальную форму.

Если , то

;

в этом случае характеристика детектирования представляет собой циклоиду (рис.115, б), сильно отличающуюся от косинусоиды.

Балансный ФД. Такой ФД представляет собой два диодных однотактных ФД (рис.116), каждый из которых работает на свою нагрузку.

Рисунок 116 – Балансный ФД

В результате этого на выходе каждого плеча ФД создается напряжение и встречной полярности, поэтому

.

Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности, поэтому фаза напряжения отличается на 180°.

Опорное напряжение прикладывается к диодам в одинаковой фазе, поэтому

;

.

Следовательно,

.

Характеристики детектирования плеч и всего ФД при показана на рис.117.

В кольцевом ФД используются два балансных ФД, при этом симметричность характеристики детектирования улучшается, а коэффициент передачи детектора возрастает.

Рисунок 117 – Характеристики детектирования балансного ФД

Выводы:

1) Балансный ФД – это сочетание двух однотактных ФД, каждый из которых работает на свою нагрузку и создает на них взаимно противоположные напряжения; разность этих напряжений определяет продетектированное напряжение на выходе балансного ФД. Полярность сигналов на диодах обратна, опорного напряжения – одинакова.

2) Характеристика детектирования балансного ФД по сравнению с однотактным более симметрична и проходит через нуль. Симметричность этой характеристики проявляется и при .