Фазовый детектор

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

,951642

Ф

l г г (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22)ЗаЯвлено 01.07.80 (21) 2948931/18 09 (51) М. Кл.

Н 03 .0 3/02 с присоединением заявки,%

Рвудероткнныб комитет

СССР ае делом изобретений к открытий (23) Приоритет

ОпУбликовано 15.08.82. Бюллетень Ют 30

Дата опубликования описания 19 08 82 (5З) УДК621.376..23(088 8) (72) Автор изобретения

Д. М. Потихонов (71) Заявитель (54) ФАЗОВЫЙ ДЕТЕ КТОР

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к аналоговым фаэовым детекторам (ФД) и может быть использовано в обзорных фазовых пеленгаторах и измерительной технике.

Известна схема балансного ФД на дио- 5 о дах, содержащая 180 -ую фаэосдвигающую цепь, выполненную на трансформаторе со средней точкой во вторичной обмотке, при этом источник первого синусоидального сигнала связан с первичной обмоткой укаэанного трансформатора, а диоды подключены одинаковой полярностью к противоположным концам его вторичной обмотки, нагрузки диодов шунтированы конденсато-, рами и соединены последовательно, а между средней точкой упомянутого трансформатора и средней точкой нагрузок включены вторичная обмотка другого трансформатора, у которого первичная обмотка 2о соединена с источником второго синусоидального сигнала.

Протяженность линейного участка выходной характеристики в таком ФД состав2 ляет Т 4 Ф при квадратичном детектировании и приблизительно Ф 65 при линейо ном, причем при использовании в схеме

ФД полупроводниковых диодов с квадратичным участком 0,6 В для обеспечения линейного режима детектирования требуется подавать на входы ФД сигналы не менее 1,5 В. Появление нелинейных участков при линейном режиме детектирования вызвано тем, что амплитуды синусоидальных сигналов складываются и вычитаются на отдельных участках нелинейно, причем законы нелинейного сложения таковы, что они не компенсируют друг друга при последующем вычитании напряжений в нагрузках диодов.

Таким образом, основными недостатками упомянутого ФД являются: большой процент нелинейных участков (30 - 50%), где падает крутизна выходной характеристики

ФД, и низкая чувствительность ФД по входу (для увеличения протяженности линейных участков требуется подавать на входы ФД сигналы большого уровня).

951642

Известен фазовый детектор, содержащий источники входного и опорного сигналов, между выходами которых включен о двунаправленный фаэоврашатель на 90, первый и второй сумматоры, входы кото- 5 рых соединены с выходами источников входного и опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержаший первый и второй диоды. вы« ходные электроды которых через резистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором, подключены ко входам вычитателя, при этом первые выводы сигналь ного и опорного входов первого канала фазового детектирования соединены с вы- 1 ходами первого и второго сумматоров.

"Растяжка" линейного участка в известном ФД возникает при величине фазовой задержки менее Х 2, но сопровождается падением крутизны выходной характеристики. Так, при величине задержки%/бпротяженность линейного участка увеличивается примерно до + 150о, что почти в

3 раза больше, чем в обычном косинусном

ФД, однако крутизна выходной характерис тики при этом падает в 5 - 6, раз, т. е. уменьшается чувствительность ФД к прирашениям разности фаз на линейном учась ке, что весьма сушественно. Другим недостатком является несимметричная формаЗО выходной характеристики и появление в связи с этим нерабочих участков, занимаюших примерно 20% от всего диапазона измерения разности фаэ — 2 30, что особенно важно, когда надо производить изме- З рение при любой разности фаз.

Следовательно, основными йедостатками известного ФД при больших величинах задержек (A/2), являются: узкая эона линейного измерения разности фаз (ме- 4р нее й75 ) и непригодность ФД для линейного измерения любой разности фаэ, низкая чувствительность ФД по входу, а также ограниченный частотный диапазон возможного использования. 45

Е1ель изобретения - повышение линейности и чувствительности.

Для достижения цели в фазовый детектор, содержаший источники входного и опорного сигналов, между выходами кото- о рых включен двунаправленный фазовращао тель на 90, первый и второй сумматоры, входы которых соединены с выходами источников входного и опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержаший первый и второй . диоды, выходные электроды которых че рез резистивную нагрузку, зашунтирован- . ную конденсатором, подключены ко .входам вычитателя, при этом первые выводы сигнального и опорного входов первого канала фазового детектирования соединены с выходами первого и второго сумматоров, введены блок управления, фазоврашатель на 180 и второй канал фазового о .детектирования, идентичный первому, первые выводы сигнального и опорного вхоо дов которого через фазоврашатель на 180 и непосредственно соединены соответст венно с выходами первого и второго сумматоров., между вторыми выводами сигнального и опорного входов каждого канала включен третий сумматор, между входными электродами первого и второго диодов каждого канала и входами третьего сумматора введены соответствено четвертый и пятый сумматоры, между точкой соединения вторых входов которых и выходом третьего сумматора включен усилитель-ограничитель, а между выходом третьего сумматора каждого канала и выходами блока управления включен третий диод с нагрузкой; зашунтированной конденсатором, при этом первые и вторые диоды каждого канала включены разнополярно.

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного фазового детектора; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, поясняюшие принцип формирования выходной характеристики ФД с неограниченными пределами линейного измерения фаз.

Фазовый детектор содержит источник 1 входного сигнала, источник 2 опорного сигнала, двунаправленный фаэоврашатель о

З,на 90, первый и второй сумматоры 4 и 5, первый и второй каналы 6 и 7 фазового детектирования, блок 8 управления, фазоврашатель 9 на 180 . При этом каждый канал фазового детектирования содержит первый и второй диоды 10 и 11, реэистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором 12, вычитатель 13, третий, четвертый и пятый сумматоры 14, 15 и

16, усилитель-ограничитель 17, третий диод 18 с резистивной нагрузкой 19, зашунтированной конденсатором.

Предложенный фазовый детектор работает следуюшим образом.

С выходов источников 1 и .2 сигналов поступают сдвинутые по фазе сигналы постоянной амплитуды и частоты

42 6 где А и А „- модули коэффицинетов А, и )

Соответственно при работе нв участке

III сигналы складываются синфвзно, но с. поворотом фаз обеих несущих на 180, о„, (-A, ) « - 04 - 0

=2E(!A

04(А чч > 04

= (И J (Д1/Ми (иН.+45 ) (о)

Результат сложения амплитуд сигналов в сумматоре 14 первого каналов показан на диаграмме <Г фиг. 2 сплошной линией, а для второго канала 7 - пунктирной линией. При построении диаграммы 5 коэффициент передачи сумматора 14, который может быть выполнен на.дифференциальном усилителе с обшей i .îëëåêòîðíîé нагрузкой, принимают для простоты равным единице.

Как видно иэ формул (7) и (9) амплитуды сигналов на участках t и П! канала 6 изменяются одинаково Eq (A1)=5<4(AI„) =2Е(lA„I+lA I) =

=2Epcm(4$ -ф +Cos (45 -ф)) (Н) и хотя они зависят от т, но изменяется от своего минимального значения, равного 2 Е, до максимального значения

2,82Е и, следовательно, в пределах ука занных участков амплитуды нигде не па дают ниже 2Е. Фаза несущей суммарного сигнала в пределах данного участка постоянна, т. е. не зависит от изменений см. (7) и (9).

На участках Н и 1ч амплитуды суммар ных сигналов в первом канале 6 наоборот принимают весьма малые значения и меняются от нуля до максимального значения, не превышающего 2Е (см. диаграмму К).

Эти особенности выходных сигналов сумматора 14 позволяют на участках I и ii сформировать из них опорные сигна лы не только с постоянной в пределах данного участка фазой, но и с постоянной амплитудой, для чего они подаются нв усилительограничитель 17 с уровнем ограничения по входу Ц= 2Е и коэффициентом передачи Ê 71.

На выходе усилителя-ограничителя 17 первого канала 6 при работе на участ ках ) и Ol появляются сигналы

U< (A, ) = (ОКо)Я" (" 6 ) = уи (у +4 ) (yz)

0 (Дц,) = (2.E.Kî,)s3 (xk+45+

= Е Ми ((М+щ + ) (43) 5 9516 где, uu, Ц) - соответственно,.амплитуда, частота и относительная разность фаз измеряемых сигналов.

В результате взаимного сдвига фаз каждого из сигналов на 90 в фазовращателе 3 и.сложения сдвинутого и несдвинутого сигналов в сумматорах 4 и 5 на их выходах образуются сигналы

О 0 + О -E(518(Got +

4 и(® - « +9о )=25Ags<«(mt+45 ) () () =Q +Î =Е(ь1и (а + -+90 )+

6 4 a.= Я . +ди(ц + g) =2.Е А ми(61+Ж ), (") 15 где дюиГсокращения последующих выражений обозначено

А = СОВ(45 - g/1) (5)

А = cos(45 + ф(2) (6)

Законы изменения амплитуд и фаз коэффициентов А, и А имеют фундаментальное значение для понимания принципов работы предлагаемого ФД (см. фиг. 2Q ), Из этой диаграммы видно, что указанные коэффициенты изменяются не только по абсолютной величине, но и меняют скачком свой. знак в определенных точках, что эквивалентно перевороту фазы несущей частоты в этих точках на 180 .

О

Из диаграммы 0 также видно, что весь36 интервал изменения Я, какой бы широкий он ни был, можно разбить на четыре характерных участка 1,il, Hi, Я, повторяющихся в определенной последователь ности, причем на участках вида l оба ко-3g эффициента Д„и А положительны; иа участках вида II коэффициент А1 положителен, а коэффициент А1 отрицателен; нв участках вида Н! оба коэффициента отрицательны; и, наконец, на участках вида N.êîýôôè- 4о циент Д .отрицателен, à А положителен.

Для пояснения принципа получения линейно ломанной характеристики в предлагаемой схеме фиг. 1 достаточно рассмотреть работу одного из каналов, например первого канала 6.

Сигналы с выхода первого 4 и второго

5 сумматоров поступают в третий сумматор 14, при этом в первом канале 6при работе на участке 1 указанные сигна- лы складываются синфаэно и (A,)=u+У

= 2Е(/А1!+!А /)Ми (% +45 ) (7) а при работе на участке 11 - противофазно

4 6

=2E (/A„l-/A> f)sin (щи+45 ) (8) 95164 n. = о

ВЕКО о

30 — постоянная амплитуда первой гармоники синусоидального сигнала на выходе усилителяограничителя 17.

Так как амплитуды сигналов, поступающие в ограничитель 17 первого канала 6 с других участков )! и 1Ч, лежат ниже уровня ограничения, то они не могут быть)0 использованы для формирования опорного сигнала постоянной амплитуды, т. е. при попадании разности фаэ измеряемых сигналов на эти участки первый канал 6 должен автоматически выключаться. l5

Далее сигналы подаются на одноимен- . ные входы четвертого и пятого сумматоров, где складываются с выходными сигналами сумматоров 4 и 5, причем при работе первого канала 6 на участке 1 (Д ) Q (A )+U (I)= ЕКо ,(6 П 1 4

/с00(40 — — )(4«««((II«6 «46 )) (46)

О (А() =О,П (Д!)+13/I)(l)

«(!«(CO%(40 «)/ÌÈ(Ì«46 )) (Ig)

4Ко

I а при работе канала 6 на участке Ill

0 (А )=U (A )-0 (ill)= — 1+

8ЕКо Г и п«7 " 4 с 4ко

«(COS(46 - — )(6«««((О«6+40 )() (46) и (A„,)-u (AÄ,)-u,(II!) = 0" (I+ (60 т T д IС00 (46 + a )/6«и (!06«45 +400 )) (!7)

Для обеспечения линейного детектирования сигналов диодами 10 и 11 нербходимо, чтобы при всех изменениях разности фаз М в .пределах рассматриваемого участка амплитуды детектируемых сиг- 0 налов всегда бы превышали квадратичную область детекторной характеристики полупроводникового диода, т. е, необходимо обеспечить выполнение условий (!+ „(C0c (40-1)() 0«60 (!0)" (! «4II /006(46+ ф )/)«063 ()9)

Так как в этих выражениях второе слагаемое всегда положительно или рав50 но нулю, то достаточно выполнить условие ИКо в, (20) 2 8

I требуемая амплитуда входных сигналов составляет E = = " - 0,2 В, а при

= 4 требуется еше меньшая амплитуда входного напряжения Е 0,1 В.

Если в качестве полосового усилителяограничителя 17 использовать всего один транзисторный каскад ОК-ОБ с коэффициентом усиления К о = 8 (18, дБ), то для обеспечения линейного детектирования требуется еше меньший уровень входных сигналов (Е = 50 мВ), при этом выигрыш в чувствительности ФД по входу по сравнению с известными диодными

ФД составляет Е = = 30 - 70раэ

0,О AÃ (30 - 37 дБ) . Для пеленгаторов это означает, что коэффициент усиления каждого из приемных каналов, включаемых перед

ФД, может быть уменьшен на 30-37дБ, т. е. достигается значительная экономия высокочастотных усилительных каскадов приемников, включаемых перед ФД, особенно в многобазовых фазовых пеленгаторах«

Эта экономия существенное значение имеет и при работе ФД непосредственно в диапазоне СВЧ.

Как видно иэ условий (18) и (19) в предлагаемом ФД не обязательно использова ть каскад с жес тким ограничением.

Так как входы ФД обычно запитываются от источников с постоянным уровнем сигнала, то в качестве ограничителя-усилителя 17 можно использовать сглаженный" ограничитель, каскад с логарифмической амплитудной характеристикой и даже линейный каскад со стабильным усилением. Важно только, чтобы опорный сигнал в процессе работы на падал ниже величины, определяемой условием (20) .

Таким образом, при работе первого канала 6 на участках 1 и /01 амплитуды выходных сигналов сумматоров 15 и 16. всегда таковы, что обеспечивается линейный режим детектирования. При линейном режиме детектирования указанных сигналов разнополярно включенными диодами

10 и 11 с коэффициентами передачи К Э на резисторных нагрузках 12 выделяют ся напряжения разных знаков

E (I lu)=+ — ()+ — "(Co5(45- )()(0!) (I II!) =- ()+ „(Coo(46« f ) l)(gg) которое гарантирует линейное детектирование при любых разбросах параматров полупроводниковых диодов 10 и 11.

Условие (20) в предлагаемом ФД легко выполнить. Например, при Кр = 2 а с выходов первого канала 6 снимается сумма разнополярных напряжений

0 =E + ьь(х q + E

Выходная характеристика ФД, сооТветствуюшая работе канала 6 на участках 1 и ill, показана на диаграмме 4 фиг. 2 сплошными прямыми линиями. Характеристика вычислена по формуле (23) при коэффициенте пропорциональности

2КЭЕ =2 0,5 0,1 = 0,1 В.

Выходные напряжения детекторов, которые также нанееены на диаграмме 8 фиг. 2 вычислены по формуле (21) и (22) при соответствующем значении коефф ниента

Вкаак

= о,в в. 3,44

Как видно из диаграммы 3 фиг. 2 выходная характеристика ФД на участках I и fl< имеет прямолинейную зависимость от разности фаз входных сигналов на проо тяжении всего участка шириной 180, не смотря на то, что амплитуды суммарных сигналов выходных напряжений сумматоров о

15 и 16 на входах диодов и соответственно выпрямленные напряжения на нагрузках дйодов, нелинейно зависят от Ф. Получение указанной линейной зависимости физически объясняется тем, что в пред- 25 лагаемом ФД уменьшение приращения амплитуд суммарных сигналов на выходе одного диода на определенную величину компенсируется в вычитателе 13 сооТ ветствующим увеличением приращений 3о амплитуд суммарных сигналов на выходе другого диода, что видно из сравнения выходных напряжений сумматоров 15 и

16, приведенных на диаграмме 4 .

Обр ование напряжений с аимно 35 компенсирующими нелинейностями достиг нуто в предлагаемом ФД в результате формирования из двух входных сигналов малого уровня опорного сигнала большого уровня с постоянной амплитудой и фа- 40 зой, а также в результате суммирования выходных напряжений первого и второго сумматоров, симметрично сдвинутых в разные стороны по фазе, с фазонезависимым опорным сигналом в четвертом и пятом сумматорах.

Для получения линейной характеристики на участках 1 и 1Ч используется второй канал 7, который работает аналогично первому каналу 6 с той лишь разницей, 50 что все процессы в нем сдвинуты на 180 по отношению процессов, протекающих в первом канале 6, что достигается с помощью фазоврашателя 9. Образующиеся при этом напряжения показаны на дьиграммах О и 3 (ф-.п. 2) пунктиром. При из

55 мерении полярности включения диодов 10 и 11 во втором канале 7 (по сравнению с указанной на фиг. 1) наклон выходной

2 10 характерйстики второго канала 7 стает идентичным первому каналу 6 °

Для логического переключения выходов каналов 6 и 7 используются диоды

18, связанные с сумматорами 14. Когда амплитуда сигнала на выходе сумматора 14 канала 6 достигает максимагп ного значения, на выходе аналогичного сумматора канала 7 она равна нулю или наоборот (см. диаграмму d нафиг. 2).

Соответственно изменяются и сигналы на нагрузках 19 диодов 18, что позволяет осуществлять логическое перекли>чение выходов каналов 6 и 7 в после,дующих устройствах и за счет этого перекрыть с помощью только двух каналов 6 и 7 сколь угодно широкий диапазон линейного измерения разности фаз.

Схема ФД может найти применение как на низких частотах НЧ (от нескольких Гц до 1 МГц), так и в диапазонах

ВЧ (1-1000Мгц) и СВЧ (111015000МГц). При этом в зависимости от рабочей частоты изменяется конструкция фазосдвигаюших цепей (ЛЗ на сосредоточенных элементах, катушка, намотан- ная на каркас с прослойкой из фольги; отрезок коаксиального кабеля или полосковая линия, уложенная "змейкой" ), а также изменяются элементы, используемые в третьем, четвертом и пятом сумматорах (суммирующий каскад на двух транзисторах) с общей коллекторной нагрузкой в диапазонах НЧ и ВЧ, а в диапазоне СВЧ вЂ” кольцевые сумматоры.

Таким образом, использование в схеме предлагаемого ФД второго канала со своей детекторной системой, а также определен-, ное подключение этого канала к обшей для

О двух каналов 90 -ой фазосдвигающей цепи с двухсторонней направленностью, вве« дение в схему каждого канала трех дополнительных сумматоров, контрольного детектора и полосового усилителя с фаэоврашателем, соответственно связанных между собой и с другими элементами, позволяют обеспечить повышение линейности и чувствительности.

Формула изобретения

Фазовый детектор, содержащий источники входного и опорного сигналов, между выходами которых включен двунаправленный фазоврашатель на 90, первый и второй сумматоры, входы которых соединены с выходами источников входного и

9516 опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержащий первый и второй диоды, выходные электроды которых через резистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором, подключены s к входам вычитателя, при этом первые выводы сигнального и опорного входов первого канала фазового детектирования соединены с выходами первого и второго сумматоров, о т л и ч а ю ш и и с.я 0 тем, что, с Мелью повышения линейности и чувствительности, введены блок управления, фазовращатель íà 180 и второй канал фазового детектирования, идентичный первому, первые выводы сигнального и опорного входов которого wept фазовращатель на 180 н непосредственно

42 12 йоепвнены соответственно с выходами первого и, второго сумматоров, между вторыми выводами сигнального и опорного входов, каждого канала включен третий сумматор, между входными электродами ! первэго и второго диодов каждого канала и входами третьего сумматора Ьведены соответственно четвертый и пятый сумматоры, между точкой соединения вторых входов которых и выходом третьего сумматора включен усилитель-ограничитель, а между выходом третьего сумматора каждого канала и выходами блока управления включен третий диод с нагрузкой, зашунтнрованной конденсатором, при этом первые и вторые диоды каждого канала включены разнополярно.

95 1642

Е12

-д

Составитель Л. Ананьева

Редактор М. Келемеш Техред М.Рейвес Корректор М. Шароши

Заказ 5970/72 Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, -35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4