Фазовые детекторы
Фазовым детектором называют каскад радиоприёмника, в котором входной фазомодулированный (ФМ) радиосигнал преобразуется в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции фазы. Для определения изменения фазы входного сигнала на фазовый детектор (ФД) подаётся дополнительный (опорный) сигнал с постоянной фазой.
При использовании фазовой модуляции передаваемое сообщение заключается в изменении фазы несущей частоты радиосигнала. Фазовый детектор преобразует напряжение высокой частоты, модулированное по фазе, в напряжение частоты модуляции, изменяющееся по закону модулирующей функции. Затем модулированный по амплитуде сигнал подаётся на амплитудный детектор. Структурная схема фазового детектора показана на рис.8.9.
Рис.8.9. Структурная схема фазового детектора
Амплитуда сигнала на выходе ФД зависит от разности фаз слагаемых колебаний:
Uφ1 = Um1 Cos (ωt + φ1) и Uφ2 = Um2 Cos (ωt + φ2).
Оба этих колебания подаются на преобразователь ФМ в АМ. Для этого преобразователь имеет два входа. Образование на выходе преобразователя модуляции результирующего колебания с амплитудой UmД иллюстрируется векторной диаграммой рис.8.10.
Рис.8.10. Принцип действия преобразователя ФМ-АМ
Разность фаз слагаемых векторов φ = φ1 – φ2. Модуль результирующего вектора
UmД
=
На выходе АД с коэффициентом передачи КД получим напряжение
U0 = KДUmД,
которое зависит от разности фаз φ.
Последнее выражение представляет собой характеристику простейшего ФД, содержащего один нелинейный элемент (рис.8.11,а). На рис. 8.11,б представлена характеристика однотактного ФД.
а)
б)
Рис.8.11. Схема однотактного ФД (а) и его характеристика (б)
Как видно, характеристика имеет малый линейный участок, прилегающий к точке φ = (2n + 1)π /2. Кроме того, напряжение U0 не меняет знака при изменениях фазы. Поэтому однотактная схема не может применяться в РПрУ с фазовой манипуляцией и в схемах фазовой автоподстройки частоты.
На практике широкое распространение получил двухтактный (балансный) ФД, схема которого представлена на рис.8.12:
Рис.8.12. Схема балансного ФД
Он состоит из двух однотактных фазовых детекторов с встречным включением нагрузок, поэтому выходное напряжение всегда равно разности выходных напряжений плеч:
U0 = U01 – U02.
Знак выходного напряжения зависит от того, на каком плече в данный момент напряжение больше. При U01 > U02 знак U0 положительный, при
U01 < U02 – отрицательный. Если U01 = U02, то U0 = 0.
В свою очередь, U01 = КДUД1; U02 = КДUД2.
Отсюда следует U0 = КД (UД1 - UД2).
Для того чтобы определить UД1 и UД2, воспользуемся векторной диаграммой рис.8.13.
Рис.8.13. Векторная диаграмма преобразователя ФМ-АМ
На диодах действуют напряжения Uφ1 и Uφ2. Напряжения Uφ1 на обоих диодах равны, но противоположны по фазе. Опорное напряжение Uφ2 приложено к обоим диодам в одинаковой фазе. Из векторной диаграммы следует, что, если φ = π /2, то амплитуды напряжений UД1 и UД2 равны. При этом очевидно, что U01 = U02. Поскольку они имеют противоположные знаки, выходное напряжение фазового детектора U0 = 0. При отклонении разности фаз от π /2 напряжения на выходе плеч не будут равны друг другу. Если φ > π /2, то UД2 > UД1 и U0 < 0. Когда же φ < π /2, возникает обратное соотношение UД1 > UД2 и U0 > 0.
Зависимость выходного напряжения от величины и знака разности фаз представлена на рис.8.14 в виде обобщённой характеристики.
Рис.8.14. Обобщённая характеристика балансного ФД
Крутизна характеристики балансного ФД в два раза больше крутизны однотактного ФД. Из рис.8.14 видно, что знак выходного напряжения меняется при изменении фазы около π /2. Это позволяет использовать балансный ФД в системах ФАПЧ.
Контрольные вопросы:
Дайте определение частотного детектора и покажите его место в структурной схеме супергетеродинного приёмника.
В чём состоит различие супергетеродинных приёмников, предназначенных для приёма АМ- и ЧМ-сигналов?
Почему в приёмнике ЧМ-сигналов необходимо устанавливать амплитудный ограничитель?
Начертите структурную схему частотно-амплитудного детектора, поясните принцип его работы и назначение элементов.
Начертите схему простейшего ЧД и объясните принцип его работы. Какие недостатки у этого ЧД?
Начертите схему балансного ЧД (частотного дискриминатора) и объясните принцип его работы. Объясните назначение элементов схемы ЧДс.
Начертите схему дробного ЧД. Объясните назначение элементов схемы. В чём преимущества дробного ЧД?
Начертите структурную схему фазового детектора и поясните принцип его работы.
Начертите схему балансного ФД и объясните принцип его работы. В чём преимущества балансного ФД перед однотактным?
Объясните назначение опорного напряжения в фазовом детекторе.