Фазочувствительные детекторы

Детекторами называются устройства, с помощью которых из электрических сигналов выделяется информационная составляющая. В зависимости от преобразуемого параметра, который несет информацию, их подразделяют на амплитудные, фазовые и частотные.

Фазовые детекторы обеспечивают получение выходного напряжения, пропорциональное фазовому сдвигу между двумя сигналами, имеющими одну частоту. Фазовый детектор –устройство, которое осуществляет сравнение двух входных частот, и формирует выходной сигнал, пропорциональный их фазовой разности (если, например, частоты различаются, то на выходе появится периодический сигнал на разностной частоте). Их часто называют фазочувствительными выпрямителями или синхронными детекторами. Под синхронным детектированием понимают преобразовательные цепи, в которых коммутация элемента, меняющего коэффициент передачи устройства, осуществляется синхронно с одним из входных сигналов, частота которого может отличаться от частоты второго входного сигнала. Поэтому фазовые детекторы представляют собой частный случай синхронных детекторов.

Применяются линейные и ключевые фазовые детекторы.

Линейные фазовые детекторы выполняются на основе перемножителей аналоговых сигналов. В них на один из входов, например вход X, подается напряжение , а на другой (У) — напряжение . В результате перемножения выходной сигнал равен

где К, К1, К₂ — масштабные коэффициенты.

Если к выходу перемножителя подключить ФНЧ, который не пропускает высокочастотную составля­ющую, имеющую частоту , то выходное напряжение фильтра будет равно

; где — масштабный коэффициент.

Таким образом, перемножитель сигналов, к входу которого подключен ФНЧ, не пропускающий переменной составляющей, обеспечивает получение постоянного напряжения, пропорционального фазовому сдвигу между напряжениями и .

С целью уменьшения количества дополнительных навесных компонентов целесообразно применять перемножители новых разработок, имеющие встроенный ОУ и малые смещения нулевых сигналов, например типа 525ПС2 (рис.1, а). (При создании детекторов используют микросхемы 140МА1, 525ПС1, 525ПС2 и др., выбирается исходя из частотного диапазона ее работы.)

В этом перемножителе приходится устанавливать только навесные резисторы, компенсирующие смещение нуля выходного напряжения, и постоянные резисторы R1, R2, обеспечивающие получение нужных входных токов у дифференциального каскада. Перемножаемые напряжения и подключаются через конденсаторы, устраняющие влияние постоянных составляющих входного сигнала. ФНЧ второго порядка выполнен на резисторе R3 и конденсаторе С1, а также на ОУ DA1. Характеристика преобразования при постоянных амплитудах входных напряжений показана на рис.1,б. Дрейфы нуля перемножителя и ФНЧ приводят к появлению соответствующих погрешностей преобразования. Поэтому следует стремиться свести их к минимуму.

Для уменьшения погрешностей сигналы и можно преобразовать в прямоугольные импульсы за счет их усиления и ограничения. Их значения берут такими, чтобы перемножитель под их воздействием насыщался. Это легко сделать при использовании микросхем типа 140МА1. Тогда на выходе перемножителя будут прямоугольные импульсы + и - полярности. Их величина не зависит от напряжений и , а полярность и длительность определяются этими сигналами. Постоянная составляющая, выделяемая ФНЧ, пропорциональна сдвигу фаз .

Ключевые фазочувствительные детекторы представляют собой электронные ключи, управляемые одним из входных сигналов. Принцип их работы поясняется рис.2.

Рис. 2. Фазовый ключевой детектор (а) и диаграммы входного (б) и выходного напряжений при фазовых сдвигах 0^о (в) и 90^о (г).

Если имеется ключ (рис. 2, а), управляемый напряжением , то среднее напряжение на выходе зависит от значения сигнала и его фазового сдвига относительно напряжения Если напряжение изменяется по синусоидальному закону (рис. 2, б), фазовый сдвиг между и равен нулю () и ключ вкл. при положительной полярности напряжения , то выходной сигнал имеет вид рис. 2, в.

Его среднее значение

При 90-градусном сдвиге фаз напряжений и выходной сигнал имеет форму, показанную на рис. 2, г. Его среднее значение

В общем случае выходное напряжение ключевого фазового фильтра можно найти из уравнения

, где

Выходное напряжение ключевого фазового фильтра зависит только от фазового сдвига напряжений и величины сигнала , причем, так же как и в случае линейного фазового фильтра, оно выделяется с помощью ФНЧ. Если установить второй ключ, управляемый напряжением , но открывающийся при другой полярности, и его выходное напряжение после инвертирования просуммировать с уже имеющимся, то получится «двухполупериодный» фазовый детектор. (в два раза большую частоту пульсаций, что позволяет уменьшить постоянные времени ФНЧ и увеличить быстродействие, а также в два раза повысить выходной сигнал).

При практическом выполнении фазовых детекторов исполь­зуются ключи, выполненные на основе диодов, БП, ПТ, а также микросхемы аналоговых ключей. На рис.3, показана схема фазового детектора на БТ ключе. Ключи выполнены на БТ VT1, VT2, имеющих электропровод­ность противоположного типа. Они открыты при разного знака. Поэтому при одном полупериоде ток протекает через VT1 при другом — VT2.

Рис. 3. Фазочувствительный выпрямитель с ключом на БТ.

Так как резисторы R2, с которых снимается выходной сигнал, равны между собой, то коэффициенты передачи в каждый полупериод воздействия напряжения одинаковы и равны К=- R2/R1. Выходной сигнал может быть снят с одного из резисторов R2 («однополупериодное» преобразование) или с обоих резисторов («двухполупериодное» преобразование). ФНЧ на резисторах R3 и конденсаторе С. Транзисторы VT1, VT2 управляются токами, задаваемыми резисторами R4. Значения их берутся такими, чтобы обеспечивался режим насыщения. Вследствие малого сопротивления ОУ ток управления транзисторами практически не влияет на выходной сигнал и не вносит погрешностей. Для улучшения характеристик фазового фильтра следует брать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного напряжения, использовать высокочастотные транзисторы и сигнал преобразовывать в напряжение прямоугольной формы.