Фазовый дискриминатор



Фазовый дискриминатор
Фазовый дискриминатор
Фазовый дискриминатор
Фазовый дискриминатор

 


Владельцы патента RU 2541899:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к системах автоматики для получения информации о знаке и величине разности фаз двух импульсных колебаний близких частот. Технический результат заключается в повышении точности оценки разности фаз при одновременном использовании знаковых и пропорциональных выходов. Введение гистерезиса в дискриминационную характеристику пропорциональных каналов исключает ситуацию, при которой разрешение и запрет выдачи информации с пропорциональных выходов дискриминатора выполняется при одном и том же значении разности фаз. Фазовый дискриминатор содержит вход опорного колебания Вх2 и вход анализируемого колебания Вх1, пропорциональными выходами являются выходы Вых1 и Вых2, а знаковыми - Вых3 и Вых4. Схема дискриминатора включает: элементы И-НЕ 1-5, 13-16, RS-триггеры 6, 7, 17, элементы задержки 8, 9, инвертор 10, дифференцирующую цепочку 11 и формирователи импульсов 12, 18, 19. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть также использовано в дискретных системах автоматики для получения информации о знаке и величине разности фаз двух импульсных колебаний близких частот. Наибольшее применение изобретение может найти в системах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве определителя фазового рассогласования опорного и подстраиваемого колебаний.

Существуют дискриминаторы, формирующие информацию о знаке либо величине (модуле) фазового рассогласования колебаний, а также информацию об обоих этих параметрах одновременно. В качестве знаковых дискриминаторов импульсных колебаний с уровнями цифровой логики можно использовать D-триггер, срабатывающий по перепаду опорного колебания на С-входе, на D-вход которого подается анализируемое колебание, или дискриминатор [1], выполненный на логических элементах. Цифровые дискриминаторы, вырабатывающие информацию о величине фазового рассогласования двух импульсных колебаний, выполняются на асинхронном RS-триггере [2], схеме неравнозначности (сумматоре по модулю 2) [3]. Модульные дискриминаторы как правило формируют информацию только о величине разности фаз, но не отражают информации о ее знаке.

К дискриминаторам, формирующим информацию о знаке и величине разности фаз импульсных колебаний, можно отнести цифровые фазовые дискриминаторы [4, 5]. Эти дискриминаторы вырабатывает информацию как о знаке (на знаковых выходах), так и величине фазового рассогласования колебаний (на модульных (пропорциональных) выходах). Причем сигналы на пропорциональных выходах таких дискриминаторов содержат информацию как о величине, так и знаке измеряемой разности фаз. Значение величины разности фаз определяется длительностью импульсов, формируемых на пропорциональных выходах дискриминатора, а знак определяется тем, на каком из двух пропорциональных выходов эти импульсы появляются.

Дискриминатор, описанный в [5], имеет модульные выходы с регулируемой зоной нечувствительности. В нем при больших значениях фазового рассогласования колебаний информация формируется как на знаковых, так и на пропорциональных выходах дискриминатора. При малом значении разности фаз за счет влияния зоны нечувствительности происходит автоматический запрет выдачи информации с пропорциональных выходов дискриминатора. При этом напряжение на знаковых выходах продолжает отражать значение знака разности фаз. Дискриминатор [5], имеющий зону нечувствительности в формировании пропорциональных величин фазового рассогласования сигналов, выбран в качестве прототипа.

При применении дискриминатора с зоной нечувствительности в системе ФАПЧ, контур регулирования которой одновременно использует информацию как со знаковых, так и пропорциональных выходов фазового дискриминатора, возникает погрешность в оценке величины разности фаз Δφ.

Причины возникновения погрешности заключаются в следующем.

При больших значениях измеряемой разности фаз дискриминатор вырабатывает сигналы как на знаковых, так и на пропорциональных своих выходах. При этом если знак Δφ не меняется, а изменяется только величина разности фаз, изменение длительности импульсов, отражающих величину Δφ, на пропорциональных выходах дискриминатора происходит, а напряжение, формируемое на знаковых выходах, остается неизменным. При одновременном использовании напряжений с знаковых и пропорциональных выходов дискриминатора вклад напряжения знаковых выходов в совокупный сигнал, отражающий величину разности фаз, можно скомпенсировать только для определенного значения Δφ, за счет введения конкретного значения зоны нечувствительности в характеристику пропорциональных каналов. Если же после этого значение разности фаз изменится, то совокупный сигнал уже не будет точно отражать реальное значение Δφ.

Кроме того, с целью обеспечения широкой полосы захвата системы ФАПЧ, в которой используется дискриминатор [5], воздействие, формируемое в контуре регулирования на основе сигналов с пропорциональных выходов, делается более интенсивным, нежели воздействие, формируемое на основе сигналов с знаковых выходов. По мере уменьшения величины фазового рассогласования анализируемых дискриминатором колебаний влияние сигналов с пропорциональных выходов уменьшается, поскольку уменьшается длительность импульсов, несущих информацию о величине разности фаз. Когда Δφ достигает значения, определяемого зоной нечувствительности ΔφЗН пропорционального канала фазового дискриминатора, модульные выходы дискриминатора отключаются, то есть информация с них не выдается. Дальнейшее управление в системе ФАПЧ осуществляется только под действием сигналов, формируемых на знаковых выходах. Влияние сигналов с знаковых выходов с целью получения малой установившейся фазовой ошибки стараются делать существенно меньшим влияния сигналов с пропорциональных выходов. Это обеспечивается передачей сигналов с знаковых выходов через звено с коэффициентом передачи, существенно меньшим единицы [6].

Допустим, что в момент достижения разностью фаз Δφ значения границы зоны нечувствительности (|Δφ|=|ΔφЗН|) в системе ФАПЧ частотная расстройка становится равной кулю. Если фильтрующее звено системы ФАПЧ не имеет астатизма, то дальнейшей подстройки фазы до значения Δφ→0 не происходит, так как напряжение на выходе фильтрующего звена при неизменном значении знака разности фаз не меняется. Последнее вызвано тем, что сигнал на пропорциональном выходе отсутствует, а напряжение, отражающее знак Δφ, постоянно.

Если фильтр, применяемый в системе ФАПЧ, имеет астатизм, то даже при полной компенсации частотной расстройки между анализируемыми колебаниями к моменту, когда |Δφ|=|ΔφЗН|, дальнейшая подстройка фазы от |Δφ|=|ΔφЗН| до Δφ=0 вызовет формирование в системе дополнительной частотной расстройки. Последующая компенсация сформированной частотной расстройки за счет действия сигналов знаковых выходов дискриминатора может привести к тому, что разность фаз Δφ может выйти за пределы [-ΔφЗН, ΔφЗН] зоны нечувствительности. Увеличение |Δφ|>|ΔφЗН| приведет к разрешению работы пропорциональных выходов. Воздействие со стороны пропорциональных выходов вновь компенсирует частотную расстройку при |Δφ|=|ΔφЗН| до нуля. Далее процесс может принять циклический характер, не приводящий к уменьшению фазовой ошибки Δφ до значения, стремящегося к 0. То есть дополнительным недостатком дискриминатора [5] является то, что запрет и разрешение работы пропорциональных выходов происходит при одном и том же значении разности фаз.

Таким образом, недостатком прототипа является то, что в нем при больших значениях измеряемой разности фаз реализуется одновременная выдача информации как на пропорциональных, так и на знаковых выходах дискриминатора. Это приводит к появлению ошибки в оценке величины Δφ. Кроме того, отключение и подключение пропорциональных выходов происходит при одном и том же значении |Δφ|=ΔφЗН, что при использовании дискриминатора в контуре регулирования может быть причиной возникновения колебательных процессов.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Для повышения точности оценки разности фаз при одновременном использовании знаковых и пропорциональных выходов дискриминатора предлагается при |Δφ|>|ΔφЗН| разрешать работу только пропорциональных выходов дискриминатора (знаковые выходы при этом должны быть отключены), а при |Δφ|≤|ΔφЗН| отключать пропорциональные выходы и подключать знаковые выходы. Также, для того чтобы в процессе удержания фазы контуром регулирования (контуром ФАПЧ) вблизи |ΔφЗН| не было включения пропорциональных выходов, в характеристику переключения выходов дискриминатора необходимо ввести гистерезис, который обеспечивал бы отключение пропорциональных выходов при |Δφ|<|ΔφЗН_1|, а их повторное подключение при |Δφ|=|ΔφЗН_2|, причем |ΔφЗН_1|<|ΔφЗН_2|. Гистерезис характеристик пропорциональных выходов показан на фиг.1, где x м о д + - характеристика сигнала, формируемого на пропорциональном выходе, при положительной разности фаз (фиг.1, а) и x м о д - характеристика сигнала, формируемого на пропорциональном выходе, при отрицательной разности фаз (фиг.1, б). Активные уровни выходных сигналов дискриминатора соответствуют уровню логического пуля. Отключенное состояние пропорциональных выходов соответствует установке на них уровней логической единицы. Ширину гистерезиса |ΔφЗН_2-ΔφЗН_1| можно выбрать в соответствии с параметрами системы ФАПЧ, в которой фазовый дискриминатор применяется.

Одновременное использование пропорциональных и знаковых выходов дискриминатора с описанными выше свойствами в контуре ФАПЧ позволяет за счет влияния сигналов с пропорциональных выходов дискриминатора уменьшить величину Δφ до значения |Δφ|<|ΔφЗН_1|, а дальнейшую подстройку выполнить с использованием сигналов с знаковых выходов дискриминатора. Применение в процессе подстройки сигналов только со знаковых выходов в состоянии привести к полной отработке имеющегося фазового рассогласования до значения Δφ, стремящегося к 0 [6].

Целью изобретения является:

1) повышение точности оценки дискриминатором разности фаз при комплексном использовании знаковых и модульных выходов дискриминатора;

2) исключение ситуации, при которой разрешение и запрет выдачи информации с пропорциональных выходов дискриминатора выполняется при одном и том же значении разности фаз.

Указанные цели достигаются усовершенствованием изобретения по авторскому свидетельству №1568207 [5] путем введения в его схему двух дополнительных формирователей импульсов, четырех дополнительных схем И-НЕ, дополнительного триггера и соответствующих дополнительных связей.

Рассмотрим структуру и принцип функционирования предлагаемого устройства. На фиг.2 приведена электрическая схема предлагаемого фазового дискриминатора, а на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие его работу при Δφ>0.

Фазовый дискриминатор, показанный на фиг.2, содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И-НЕ 1-5, первый и второй триггеры 6 и 7, первый и второй элементы задержки 8 и 9, инвертор 10, дифференцирующую цепочку 11, формирователь импульсов 12, первый, второй, третий и четвертый дополнительные элементы И-НЕ 13-16, дополнительный триггер 17, первый и второй дополнительные формирователи импульсов 18 и 19.

Фазовый дискриминатор работает следующим образом.

На вход первого элемента И-НЕ 1 поступает импульсный сигнал xA (фиг.3, а), а на вход первого элемента задержки 8 поступает второй импульсный сигнал хБ (фиг.3, б), используемый в качестве опорного сигнала. Оба этих сигнала имеют одинаковые частоты. С выхода первого элемента задержки 8 сигнал хн (фиг.3, в) подается на второй вход первого элемента И-НЕ 1 и вход второго элемента задержки 9. Выход первого элемента И-НЕ 1 подключается к S-входу первого триггера 6, а R-вход триггера подключается ко входу первого элемента задержки 8 и первым входам второго 2 и третьего 3 элементов И-НЕ. Вторые входы элементов 2 и 3 подключены в прямому и инверсному выходам триггера 6 соответственно. Третьи входы элементов И-НЕ 2 и 3 подключены к выходу второго элемента задержки 9. Выход второго элемента И-НЕ 2 подключен в S-входу второго триггера 7, а выход третьего элемента И-НЕ 3 к R-входу второго триггера. На прямом выходе второго триггера 7 формируется сигнал x Z + = 1 (сигнал на инверсном выходе x Z = 0 ), если передний фронт импульсов сигнала хА опережает передний фронт импульсов сигнала хБ. Когда передний фронт импульсов сигнала хА отстает от переднего фронта импульсов сигнала хБ, на инверсном выходе второго триггера 7 формируется сигнал x Z = 1 ( x Z + = 0 ) . На Фиг.3 представлен случай, когда передний фронт импульсов сигнала хА опережает передний фронт импульсов хБ. В этом случае имеет место фазовое рассогласование одного знака, отображаемое на прямом выходе второго триггера как x Z + = 1 (фиг.3, с).

На выходе первого элемента И-НЕ 1 при одновременном взаимодействии сигналов хА и хн формируется последовательность импульсов хВ (фиг.3, г) с уровнем логического нуля, длительность которых τФ пропорциональна величине фазового рассогласования Δφ импульсов хА и хБ. Сигнал хВ с выхода первого элемента И-НЕ 1 подается на входы инвертора 10 и дифференцирующей цепочки 11. На выходе дифференцирующей цепочки формируются короткие импульсы хдц (фиг.3, ж), являющиеся реакцией на перепады из 1 в 0 импульсного колебания хВ. Импульсы формируются в начале каждого из импульсов хВ. Но основе импульсов хдц схемой первого формирователя импульсов 12 вырабатываются импульсы хф1 (фиг.3, з) с уровнем логического нуля длительностью τ1. Также на основе импульсов хдц с помощью первого 18 и второго 19 дополнительных формирователей импульсов вырабатываются импульсы хф2 (фиг.3, и) и хф3 (фиг.3, к) с длительностями τ2 и τ3 соответственно. Длительность τ2 импульсов хф2 определяет величину зоны нечувствительности модульной характеристики дискриминатора. Импульсы хф2 имеют уровень логической единицы, а импульсы хф3 - уровень логического нуля. Длительности импульсов, вырабатываемых формирователями, соотносятся следующим образом: τ123.

Сигнал хм (фиг.3, д), полученный путем инвертирования сигнала хВ, подается на первые входы четвертого 4 и пятого 5 элементов И-НЕ. Вторые входы четвертого и пятого элементов И-НЕ подключены к прямому и инверсному выходам второго триггера 7, формирующего информацию о знаке фазового рассогласования импульсов хА и хБ). Третьи входы элементов И-НЕ 4 и 5 подключены к выходу первого формирователя импульсов 12.

Входы первого дополнительного элемента И-НЕ 13 подключены к выходам первого элемента И-НЕ 1 и первого дополнительного формирователя импульсов 18. На выходе элемента И-НЕ 13 формируется импульс хд3 (фиг.3, л) с уровнем логического нуля, когда для длительности τФ импульсов хВ выполняется условие τ1Ф2. Это соответствует тому, что длительность импульсов не превышает ширину зоны гистерезиса. Входы второго дополнительного элемента И-НЕ 14 подключены к выходам инвертора 10 и второго дополнительного формирователя импульсов 19. На выходе элемента И-НЕ 14 формируются импульсы хд4 (фиг.3, м) с уровнем логического нуля, когда длительность τФ импульсов хм (фиг.3, д), являющихся инверсией импульсов хВ (фиг.3, г), превышает длительность τ3 импульсов хф3, вырабатываемых вторым дополнительным формирователем импульсов 19. Импульсы хд4 переключают дополнительный триггер 17 в состояние, при котором на его инверсном выходе устанавливается сигнал хП (фиг.3, н) с уровнем логической единицы. Это разрешает формирование сигналов на выходах x м о д + (фиг.3, п) x м о д (фиг.3, р) четвертого 4 и пятого 5 элементов И-НЕ, являющихся модульными выходами фазового дискриминатора.

Импульсы Хд3 (фиг.3, л), формируемые в случае выполнения условия τ1Ф2, переключают дополнительный триггер 17 в состояние, при котором на его прямом выходе устанавливается сигнал хЗ (фиг.3, о) с уровнем логической единицы. Данный сигнал разрешает работу третьего 15 и четвертого 16 дополнительных элементов И-НЕ, выходы которых являются знаковыми выходами дискриминатора. На них формируются сигналы x z n + (фиг.3, с) и x z n (фиг.3, т). Активные значения сигналов соответствуют уровням логического нуля.

Временные диаграммы, поясняющие работу фазового дискриминатора при отрицательных фазовых рассогласованиях (Δφ<0), представлены на фиг.4. Одноименные процессы на фиг.3 и 4 обозначены одинаковыми буквами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. 1279047 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков. №3909009/24-09; заявлено 30.04.85; опубл. 23.12.86 в БИ №47.

2. Цифровые системы фазовой синхронизации / Под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980. - 208 с.

3. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. - М.: Радио и связь, 1982. - 128 с.

4. А.с. 1432724 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4212180/24-09; заявлено 19.03.87; опубл. 23.10.88 в БИ №39.

5. А.с. 1568207 СССР, МКИ H03D 13/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4374505; заявлено 05.02.88; опубл. 30.05.90 в БИ №20.

6. Холопов С.И. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2011. №4 (выпуск 38). С.50-54.

Фазовый дискриминатор, содержащий первый элемент И-НЕ, первый вход которого является первым входом фазового дискриминатора, а выход подключен к S-входу первого триггера, R-вход которого, подключенный к второму входу фазового дискриминатора, соединен с первыми входами второго и третьего элементов И-НЕ и входом первого элемента задержки, выход первого элемента задержки соединен с вторым входом первого элемента И-НЕ и входом второго элемента задержки, выход второго элемента задержки подключен к вторым входам второго и третьего элементов И-НЕ, третьи входы второго и третьего элементов И-НЕ соединены с прямым и инверсным выходами первого триггера соответственно, выход второго элемента И-НЕ подключен к S-входу, а выход третьего элемента И-НЕ подключен к R-входу второго триггера, выход первого элемента И-НЕ также подключен к входам инвертора и дифференцирующей цепочки, выход которой соединен с входом формирователя импульсов, выход формирователя подключен к первым входам четвертого и пятого элементов И-НЕ, выходы которых являются первым и вторым (модульными) выходами дискриминатора соответственно, вторые входы четвертого и пятого элементов И-НЕ подключены к выходу инвертора, третий вход четвертого элемента И-НЕ соединен с прямым выходом, а третий вход пятого элемента И-НЕ соединен с инверсным выходом второго триггера, отличающийся тем, что в него введены первый и второй дополнительные формирователи импульсов, входы которых подключены к выходу дифференцирующей цепочки, первый дополнительный элемент И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу первого элемента И-НЕ, а второй вход соединен с выходом первого дополнительного формирователя импульсов, второй дополнительный элемент И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу инвертора, а второй вход соединен с выходом второго дополнительного формирователя импульсов, дополнительный триггер, S-вход которого подключен к выходу первого дополнительного элемента И-НЕ, а R-вход подключен к выходу второго дополнительного элемента И-НЕ, инверсный выход дополнительного триггера соединен с четвертыми входами четвертого и пятого элементов И-НЕ, а прямой выход дополнительного триггера подключен к первым входам третьего и четвертого дополнительных элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с прямым и инверсным выходами второго триггера соответственно, выходы третьего и четвертого дополнительных элементов И-НЕ являются третьим и четвертым (знаковыми) выходами дискриминатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к импульсному частотно-фазовому детектору. Технический результат заключается в уменьшении времени переходных процессов в контуре фазовой автоподстройки частоты за счет оптимизации алгоритма формирования выходных управляющих сигналов импульсного частотно-фазового детектора.

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к импульсному частотно-фазовому детектору. .

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в качестве логического элемента сравнения частоты следования импульсов задающего генератора, определяющего частоту вращения двигателя в дискретных астатических электроприводах, и частоты следования импульсов датчика обратной связи, расположенного на валу двигателя, а также в других системах фазовой синхронизации.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в приемо-передающей аппаратуре измерительной техники для аналогового моделирования систем синхронизации генераторов и проектирования различных типов систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах фазовой синхронизации. .

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в частотомерах, стандартах частоты и времени, приемниках-компараторах и других приборах для частотно-временных измерений.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и радиосвязи и может быть использовано для определения параметров радиосигналов. .

Изобретение относится к устройствам демодуляции частотно-модулированных сигналов путем подсчета или интегрирования периодов колебаний. .

Изобретение относится к области радиосвязи и может применяться в демодуляторах радиорелейных систем связи, использующих сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией.

Изобретение относится к радиотехнике и автоматике и может быть использовано в системах автоматического регулирования параметров промышленных установок. .

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для определения фазового сдвига как синусоидальных сигналов, так и последовательностей импульсов. Технический результат - повышение эффективности функционирования измерителя фазовых сдвигов за счет исключения ошибки, связанной с нарушением порядка поступления входных сигналов, и повышения точности формирования временных интервалов, определяющих искомый фазовый сдвиг. Для этого синхронизируемый измеритель фазовых сдвигов содержит два формирователя импульсов, два делителя частоты, синхронизатор, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и измеритель временных интервалов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для определения фазового сдвига импульсных последовательностей с произвольными длительностями импульсов и скважностями. Цифровой фазовый детектор может найти применение при построении как фазометров широкого назначения, универсальных средств фазовой автоподстройки частоты, так и специализированных средств контроля временных параметров. Техническим результатом является повышение эффективности функционирования цифрового фазового детектора за счет исключения ошибки, связанной с нарушением порядка поступления информационных импульсов. Цифровой фазовый детектор содержит четыре D-триггера, а также логические элементы ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к сетям беспроводной связи и может использоваться для выбора ортогональных параметров передачи для опорных сигналов демодуляции в системах беспроводной связи. Достигаемый технический результат - обеспечение лучшей ортогональности между мультиплексированными опорными сигналами демодуляции из разных уровней передачи. Каждый опорный сигнал демодуляции определен путем определения значений циклического сдвига и ортогонального кода покрытия, при этом определяют минимальные разделения циклических сдвигов между опорными сигналами разных уровней, а полустатическое значение кодового сдвига n D M R S является независимо конфигурируемым для каждой компонентной несущей. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Наверх