Частотно-фазовые детекторы. Курсовая работа: Расчет фазового детектора Требования к фильтрам фазовых детекторов
Фазовым детектором (ФД) называется устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения. Если на вход ФД действует напряжение
то продетектированное напряжение
Положим, на входе ФД действует напряжение, показанное на рис. 4, а, тогда напряжение на выходе ФД должно иметь вид рис. 4, б.
Рисунок 4 - Входное (а) и выходное (б) напряжения ФД
Рассмотренный случай является типичным для фазового телеграфирования, при котором начальные фазы паузы и посылки отличаются на 180є. При фазовой модуляции (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 осуществить с помощью простой 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 выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).
Структурная схема ФД показана на рис. 5. 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 S.
Рисунок 5 - Структурная схема ФД
Схема ФД совпадает также со схемой параметрического амплитудного детектора (АД), поэтому продетектированное напряжение на выходе ФД
где S 1 - амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента;
Фазовое детектирование осуществляется с помощью параметрической цепи, в которой источник опорного напряжения должен быть синхронным с источником сигнала.
В зависимости от вида нелинейной цепи и способа ее включения различают однотактные, балансные и кольцевые ФД. В качестве нелинейного элемента используют диоды и транзисторы. Для нашей системы мы будем использовать однотактный ФД.
Детектор выполнен по однотактной схеме (рис. 6).
Рисунок 6 - Однотактный диодный фазовый детектор
Для осуществления фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение на выходе ФД определяется выражением (24), полученным при предположении, что. Характеристика детектирования диодного ФД, согласно (24), близка к косинусоиде.
Принцип действия ФД по схеме рис. 5 можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (рис. 7, а). На выходе такого амплитудного детектора действует суммарное напряжение
Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений (рис 7, б) получают напряжение той же частоты, но другой фазы. Амплитуда суммарного колебания
Рисунок 7 - Система с АД суммы двух гармонических колебаний (а); векторное сложение двух напряжений (б)
Напряжение на выходе АД с коэффициентом передачи
Согласно (27), напряжение на выходе ФД зависит от ц входного сигнала; вид зависимости от ц определяется отношением. В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис. 8, а). Если, то
в этом случае характеристика детектирования представляет собой циклоиду рисунок 5 сильно отличается от косинусоиды.
2. Анализ схем построения фазовых детекторов
2.1 Балансный фазовый детектор
Балансный фазовый детектор представляет собой два диодных однотактных фазовых детекторов, каждый из которых работает на свою нагрузку.
В результате на входе каждого плеча фазового детектора создаются напряжения
встречной полярности поэтому
. Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности поэтому фаза напряжения Uвх` отличается от фазы Uвх`` на .
Опорное напряжение прикладываются к диодам в одинаковой фазе, поэтому,
.Следовательно,
В кольцевом фазовом детекторе используют два балансных фазовых детектора, при этом симметричность характеристики детектирования улучшается, а коэффициент детектора возростает.
Характеристики детектирования плеч и всего ФД при
Выводы: 1. Балансный фазовый детектор- это сочетание двух однотактных фазовых детектора, каждый из которых работает на свою нагрузку и создает на них взаимно противоположные напряжения; разность этих напряжений определяют продетектированное напряжение на входе балансного фазового детектора. Полярность входных сигналов на диодах обратна, опорного напряжения – одинакова.
2.Характеристика детектирования балансого фазового детектора по сравнению с однотактным более симметрична и проходит через нуль.
2.2 Фазовый детектор на логических дискретных элементах
Структурная схема фазового подобного детектора показана на рисунке (8)
Устройство формирования преобразует аналоговый гармонический сигнал в импульсное напряжение.
Возможная схемная реализация такого фазового детектора показана на рисунке (8). Детектор имеет два входа: на первый подается ФМ - колебание (рис.9,а), на второй – опорное напряжение (рис. 9,в). В качестве УФ 1 и УФ 2 (рис.11) использованы компараторы с гистерезисом DA 1 иDA 2 . Диаграммы напряжений u 1 и u 2 на выходе УФ 1 и УФ 2 показаны на рис.(9,б,г) . Напряжения u 1 и u 2 подаются на цепь И, в качестве которой используются два логических элемента И-НЕ DD1.3 и DD1.4. Напряжение u на выходе цепи И создается только при одновременном действии напряжений u 1 и u 2 . Диаграмма напряжения на выходе цепи И показана на рисунке (9,д). Фильтр нижних частот выделяет постоянную составляющую напряжения Е д = U 0 | π – φ | / 2 π = 0,5 U 0 | 1 – φ/ π| (4) ;
Согласно(4) напряжение Е д линейно зависит от фазы φ. Характеристика детектирования ФД показана на рис. (12)
Если на рисунке (10) вместо цепи И использовать цепь на основе элементов исключающее И-НЕ рис. (11), то характеристика детектирования становится в 2 раза круче и при равенстве фаз входного и опорного напряжений Е д = 0.
Напряжение u на выходе цепи И, состоящей из элементов И-НЕ, имеет место при одновременном наличии либо отсутствии напряжений u 1 и u 2 .
ВЫВОД: В ФД на логических дискретных элементах ФМ – колебание преобразуется в импульсное напряжение, скважность которого зависит от фазы входного сигнала. Импульсный ФД реализуется в интегральном исполнении.
2.3 Однократный диодный ФД
Для фазового детектирования к диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение; напряжение Е д на выходе ФД определяется выражением
,полученным при предположении, что U nx <Характеристики детектирования диодного ФД согласно этого выражения близка к синусоиде.Принцип действия такого ФД можно пояснить, рассматривая его не как параметрическую цепь, а как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (u BX и u 0).
На входе такого АД действует суммарное напряжение:
u ∑ = u вх + u 0 =U BX cos (ω 0 t + ψ) + U 0 cos ω 0 t. (5);
Эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получают напряжение той же частоты, но другой фазы. Амплитуда суммарного колебания:
2.4 Коммутаторный фазовый детектор
Такой фазовый детектор выполнен в виде балансного перемножающего устройства с дифференциальным входом. Входной сигнал U 1 подается на базу транзистора Т 1 , сигнал управляющего напряжения U 2 подается непосредственно на затвор полевого транзистора Т 3 . Последний работает как управляемый напряжением аттенюатор с нулевым смещением на участке исток-сток. Вследствие баланса цепи по постоянному току управляющее напряжение, приложенное к затвору Т 3 , изменяет только сопротивление накала полевого транзистора, не влияя на условие передачи постоянных смещений в цепи. При использовании рассмотренной балансной схемы рис (14), перемножителя в спектре выходного напряжения удается значительно ослабить составляющую частоты
2 и все комбинационные составляющие, за исключением ω 2 ±ω 1 . Составляющие частоты ω 1 при этом из спектра не исключаются. Однако при выполнении условия ω 1 -ω 2 ≤ω 1 ее влияние почти не сказывается, так как она будет подавлена фильтром, стоящим после фазового детектора. Допуская,что участок затвор –канал имеет безконечное сопротивление и что амплитуда напряжения сигнала U 1 значительно меньше напряжения отсечки полевого транзистора, можно показать что коэффициент передачи передачи фазового детектора для симметричного выхода может быть выражен в следующем виде:Где S нач - начальная крутизна полевого транзистора Т 3 при (U зи =0);
U зи.отс - напряжение отсеки Т 3 ;
R н - сопротивление нагрузки каждого плеча схемы;
U 2 - амплитуда управляющего напряжения на затворе.
Входное сопротивление схемы на частоте сигнала определяя ется велечиной разных сопротивлений R 1 R 2 и имеет порядок
.
Максимально возможный коэффициент такого фазового детектора при условии U 2 =0.5U зи.отс определяется выражением:
3.Выбор и обоснование схемы фазового детектора
Фазовый детектор — это устройство, сравнивающее фазы двух сигналов равных или близких частот. Фазовый детектор формирует напряжение, пропорциональное разности фаз.
Для определения фазы неизвестного колебания требуется точка отсчета, которая будет определять начало координат. Обычно в качестве такой точки отсчета выступает опорное синусоидальное колебание, вырабатываемое местным генератором (гетеродином). При этом для выделения фазы можно воспользоваться тригонометрическим тождеством:
При условии равенства частот принимаемого сигнала и гетеродина формула преобразуется к виду:
(2)Напряжение с удвоенной частотой принимаемого сигнала (удвоенной промежуточной частотой) на выходе фазового детектора легко подавляется фильтром низких частот и в дальнейшем анализе не учитывается:
(3)Учитывая, что синус малого угла равен значению самого угла, на выходе аналогового умножителя сигналов присутствует напряжение, пропорциональное фазе принимаемого сигнала. Иначе говоря, в качестве фазового детектора может выступать , к одному из входов которого подключен генератор с частотой, равной частоте принимаемого сигнала.
К сожалению, из той же формулы напряжения на выходе умножителя сигналов видна зависимость выходного напряжения от амплитуды входного сигнала и сигнала местного генератора (гетеродина). Поэтому перед детектированием фазомодулированного сигнала в фазовом детекторе напряжение входного сигнала должно быть ограничено по амплитуде.
В ряде схем фазовых детекторов в результате ограничения или по ряду других причин (синтезатор частот, умножитель тактовой частоты) применяются сигналы с логическими уровнями. В этом случае в качестве можно применить .
Структурная схема фазового детектора, реализованная по описанному выше принципу, приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема фазового детектора
Форма напряжения на выходе ограничителя амплитуды приближается к прямоугольной форме сигнала со скважностью равной двум. Напряжение (или ток) на выходе местного генератора (гетеродина) тоже стараются получить прямоугольной формы. Для более точного формирования прямоугольного сигнала гетеродина с равной длительностью положительного и отрицательного значения достаточно часто применяют генератор с удвоенной частотой. Затем понижают ее на двоичном делителе (T-триггере). В результате формула (3) преобразуется к следующему виду:
(4)Линейный участок передаточной характеристики фазового детектора в результате применения прямоугольных колебаний расширяется до диапазона . Пример передаточной характеристики фазового детектора AD9901 приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Передаточная характеристика фазового детектора AD9901
Отклонение передаточной характеристики от линейного закона в микросхеме вызвано ее конечным быстродействием.
Дата последнего обновления файла 16.12.2017
Литература:
- "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса М., "Высшая школа" 1976 стр. 37 ... 110
- "Радиоприемные устройства" под ред. Жуковского М. "Сов. радио" 1989 стр. 8 ... 10
- Палшков В.В. "Радиоприемные устройства" - М.: "Радио и связь" 1984 стр. 12 ... 14
Вместе со статьей "Фазовый детектор (демодулятор)" читают:
Основными параметрами ФД являются
Фазовые детекторы
Фазовые детекторы применяются для преобразования разности фаз двух сигналов в соответствующее напряжение . Приемник может принимать оба или одно из колебаний. Во втором случае на фазовый детектор (ФД), кроме принимаемого подается еще местный, опорный сигнал. Напряжение на выходе ФД, соответствующее разности фаз сравниваемых колебаний, получают путем их перемножения в схемах, аналогичным преобразователям частоты и синхронным детекторам. Частоты обеих колебаний должны быть одинаковыми. Нагрузкой ФД служит фильтр нижних частот (ФНЧ).
Если на схему умножителя (рис. 3.35) подать полезный сигнал
и вспомогательный сигнал той же частоты
ток на его выходе получается пропорциональным произведению воздействующих сигналов
Напряжение удвоенной частоты на выходе ФНЧ близко к нулю и его можно не учитывать. Постоянная составляющая напряжения на выходе ФНЧ (например, на RC фильтре)
зависит от разности фаз сравниваемых колебаний.
Амплитудно-фазовая или статическая характеристика ФД представляет собой зависимость выходного напряжения от разности фаз между сигналом и опорным напряжением
Вид амплитудно-фазовой характеристики (рис. 3.36) определяется типом и параметрами схемы ФД. Она также зависит от значений амплитуды и. Специфичной особенностью этой характеристики является ее периодичность, т.е. при возрастании значений она будет повторяться с периодом.
Рисунок 3.36 - Амплитудно-фазовая характеристика фазового детектора
Крутизна характеристики ФД представляет собой производную выходного напряжения по фазовому углу, вычисленную при заданных значениях амплитуды напряжения сигнала и опорного в точке, где эта производная максимальна
Коэффициент передачи ФД представляет собой отношение величины выходного сигнала при заданном значении разности фаз между подводимыми напряжениями
По своему схемному решению ФД могут быть:
Однотактными;
Балансными (двухтактными);
Кольцевыми;
Ключевыми и т.д.
Схема однотактного ФД представлена на рис. 3.37.
Рисунок 3.37- Однотактный фазовый детектор
Схема однотактного ФД отличается от обычного диодного амплитудного детектора тем, что на диод воздействует сумма двух высокочастотных сигналов. Положим, что
В схеме рис. 3.37а диод, R и C действуют как амплитудный детектор с коэффициентом передачи.
Напряжение на выходе ФД составляет
Как следует из рис. 3.36 зависимость выходного напряжения от разности фаз оказывается нелинейной. Только на небольшом участке в районе детекторную характеристику практически можно считать линейной.
Схема балансного ФД (рис. 3.38а) состоит из двух однотактных фазовых детекторов, выходные цепи которых включены навстречу. Поэтому работа схемы в принципе не отличается от работы однотактного ФД.
Рисунок 3.38 – Балансный фазовый детектор
При выполнения условия детекторная характеристика ФД становится практически линейной (рис. 3.38б).
Фа́зовый дете́ктор , фазовый компара́тор (ФД) - электронное устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов равных или близких частот.
На вход ФД подаются два сигнала, фазы которых нужно сравнить, на выходе ФД формируется сигнал, обычно напряжения, пропорциональный разности фаз входных сигналов.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
Лекция №4. Балансная и квадратурная модуляция
Синтезатор сетки частот и его характеристики
Синтезатор сетки частот с ФАПЧ
Субтитры
Типы ФД
Исключающее ИЛИ
Простейший ФД - логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ . При подаче на вход этого элемента двух прямоугольных колебаний равных частот с нулевым фазовым сдвигом его выходное напряжение равно нулю (логический 0). При ненулевом сдвиге фаз на выходе элемента формируются импульсы, среднее значение которых прямо пропорционально фазовому сдвигу и достигает максимума (на выходе логическая 1) при сдвиге равном π. Для усреднения импульсного выходного сигнала на выходе этого фильтра устанавливают фильтр нижних частот (ФНЧ).
Балансный смеситель
Другой тип ФД - это четырёхквадрантные перемножители двух входных сигналов, которые часто называют балансными смесителями. На выходе балансного смесителя присутствуют удвоенная частота входных сигналов и постоянная составляющая, пропорциональная разности фаз, что следует из выражения:
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 угла здесь приближённо заменён самим углом. Составляющая с удвоенной частотой может быть легко отфильтрована с помощью ФНЧ.
Схемотехнически балансные смесители обычно строятся по схеме Гилберта .
ФД, срабатывающие по фронтам входных сигналов
ФД этого типа чувствительны к относительному положению фронтов входных сигналов. Например, если сигнал А опережает сигнал Б, то на выходе этого ФД формируются импульсы положительной полярности с длительностью пропорциональной разности фаз и с частотой повторения равной частоте входных сигналов. Если сигнал Б опережает сигнал А, то на выходе формируются импульсы отрицательной полярности. Для получения выходного напряжения, пропорционального разности фаз на выходе ФД применяют ФНЧ.
Применение ФД
Традиционное применение ФД - в следящих системах автоподстройки частоты , где ФД, совместно с генератором переменной частоты, управляемый напряжением (ГУН) включены в контур отрицательной обратной связи. Сигналом задания для этой системы автоматического регулирования является частота входного сигнала, а ФД является сравнивающим устройством. В передаточную функцию ФНЧ, установленном на выходе ФД перед ГУН, дополнительно вводят ноль, для обеспечения запаса устойчивости по фазе. В простейшем случае, если ФНЧ является RC-фильтром НЧ, то ноль в передаточной функции можно получить включив резистор с нужным сопротивлением последовательно с конденсатором фильтра.
Также ФД используются в синтезаторах, умножителях и делителях частот. В этих системах на вход ФД подаются не сами сигналы, а сигналы, полученные в результате умножения, деления, сумм и разностей нужных частот.
В радиосвязи ФД применяется в системах автоподстройки частоты гетеродина в супергетеродинных радиоприёмников .
В телефонии ФД применяется в устройствах декодирования тонального вызова.
При стабилизации частоты вращения шпинделей и валов на один из входов ФД подаётся сигнал от опорного генератора, на второй - импульсы от меток частотного датчика оборотов, и выходной сигнал ФД управляет не ГУН, а электрическим приводом вала.
