Назначение, структурная схема и принцип работы фазовых детекторов.

Фазовый детектор (ФД) – устройство, формирующее напряжение, которое изменяется в соответствии с законом изменения фазы входного напряжения.

Если напряжение на входе ФД: u_вх=U_вх·cos[ωt+φ(t)], то напряжение на выходе ФД: E_д=К_ФД·φ(t).

Т.к. в спектре напряжения на выходе ФД есть частотные составляющие, которых не было на входе, то для реализации ФД нельзя использовать линейную систему с постоянными параметрами или нелинейную безынерционную систему. Поэтому ФД можно выполнить на основе линейной системы с переменными параметрами (параметрической системы).

 

Структурная схема ФД:

Эта схема совпадает со схемой преобразователя частоты, отличается тем, что частота гетеродина (опорное напряжение) ω_г=ω_с=ω₀. Под действием опорного напряжения u₀ меняется активный параметр схемы (обычно это крутизна S). Источник опорного напряжения должен быть синхронным с источником сигнала.

Исходя из того, что схема ФД также совпадает со схемой параметрического АД, продетектированное напряжение можно записать в следующем виде:

Е_д=0,5S₁U_вхR_нcosφ, (*)

где S₁ – амплитуда первой гармоники крутизны тока преобразовательного элемента,

φ=φ₀-φ_с.

В зависимости от вида нелинейной цепи различают однотактные, балансные и кольцевые ФД. В качестве нелинейного элемента используются диоды и транзисторы.

Однотактный диодный ФД.

К диоду прикладывается входной сигнал и опорное напряжение, напряжение на выходе ФД определяется выражением (*) при предположении, что U_вх<<U₀. Характеристика детектирования близка к косинусоиде.

Принцип действия можно пояснить, рассматривая ФД как систему с амплитудным детектированием суммы двух гармонических колебаний (u_вх+u₀). На входе такого АД действует суммарное напряжение u_Σ= u_вх+u₀=U_вхcos(ω₀t+φ)+ U₀cosω₀t, эти два колебания имеют одинаковую частоту, но разные фазы. В результате векторного сложения двух напряжений получается напряжение той же частоты, но другой фазы и с амплитудой . На выходе АД с коэффициентом передачи К_д будет напряжение Е_д=К_дU_Σ. Из этих выражений можно сделать вывод, что напряжение Е_д на выходе ФД зависит от фазы входного сигнала, а вид этой зависимости определяется отношение U_вх/U₀. В общем случае характеристика детектирования существенно отличается от косинусоиды (рис. а).

Если U_вх<<U₀, то , т.е. при малых амплитудах входного сигнала характеристика детектирования имеет косинусоидальную форму.

Если U_вх≈U₀, то , тогда характеристика детектирования представляет собой циклоиду, сильно отличающуюся от косинусоиды (рис. б).

Балансный ФД.

Такой вид ФД представляет собой два диодных однотактных ФД, каждый из которых работает на свою нагрузку:

На выходе каждого плеча ФД создается напряжение Е_д1 и Е_д2 встречной полярности, поэтому Е_д= Е_д1-Е_д2. Входное напряжение подводится к диодам в противоположной полярности, поэтому фазы напряжений u_вхʹ и u_вхʺ отличаются на 180˚. Опорное напряжение прикладывается к диодам в одинаковой фазе, поэтому:

,

.

 

Тогда выходное напряжение . Характеристика детектирования плеч и всего ФД:

Характеристика детектирования балансного ФД по сравнению с однотактным более симметрична и проходит через ноль.

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

 

ФД на логических дискретных элементах.

Устройство формирования УФ преобразует аналоговый гармонический сигнал в импульсное напряжение. Детектор имеет два входа: на первый подается ФМ колебание (рис. а), на второй – опорное напряжение (рис. в). Диаграммы напряжений u₁ и u₂ представлены на рис. б и г. Напряжения u₁ и u₂ подаются на цепь И, в качестве которой используются два логических элемента И-НЕ. Напряжение u на выходе цепи И создается только при одновременном действии напряжений u₁ и u₂ (рис. д). Фильтр ФНЧ выделяет постоянную составляющую напряжения:

Характеристика детектирования:

 

 

 

Назначение и виды ограничителей.

 

 

 

 

Диодные амплитудные ограничители. Назначение и принцип работы.