7.3. Фазовый детектор

Схему фазового детектора, показанную на рис. 7.3, нельзя отнести к схемам типа демодулятора, как две предыдущие схе­мы. Эта схема детектирует разность фаз двух сигналов, так что при наличии разности фаз могут быть приняты определенные меры по корректированию (см. разд. 4.6, 6.6, 6.7, 15.2 и 15.3). Фазовый детектор часто называют также фазовым дискрими­натором или частотным компаратором. Схема фазового детек­тора, показанная на рис. 7.3, близка к схеме дискриминатора (демодулятора) ЧМ-сигналов, изображенного на рис. 7.5, а их основные рабочие характеристики практически идентичны. Поэтому анализ схемы, данный в этом разделе, применим и к схе­ме, показанной на рис. 7.5. В демодулирующей системе (рис. 7.5) индуктивность L₄ связана с L_b т. е. она не является вторичной обмоткой трансформатора L₄L₅, как это имеет место в схеме, изображенной на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Фазовый детектор.

Рис. 7.4. Векторные диаграммы фазового детектора.

Подлежащий анализу сигнал прикладывается к входной обмотке li и трансформируется во вторичную обмотку, состоя­щую из L₂ — L₃. Вторичная обмотка шунтируется конденсато­ром переменной емкости С_ь благодаря чему образуется парал­лельный резонансный контур, настроенный на частоту контроль­ного (опорного) сигнала, который прикладывается к первичной обмотке L₅ трансформатора и наводится на L₄.

Если оба сигнала имеют идентичные частоты, то при хоро­шей балансировке системы прикладываемые к диодам сигналы одинаковы. В этом случае токи диодов протекают в направле­ниях, показанных на рис. 7.3 стрелками, создавая выпрямлен­ный сигнал. Каждый диод проводит через полупериод, вследст­вие чего через диоды протекают пульсирующие токи. Однако пульсации напряжения на резисторах Ri и R₂ сводятся к мини­муму благодаря фильтрующему действию конденсаторов С₂ и С₃, так что через Ri и R₂ протекают практически постоянные токи. Вследствие использования центрального отвода в обмотке L₂ — L_{3 и} равенства резисторов R₁ и R₂ падения напряжений на этих выходных резисторах равны и противоположны по зна­ку; поэтому при равенстве частот сигналов выходное напряже­ние равно нулю.

Работу схемы легче всего понять из анализа фазовых соот­ношений в рассматриваемом компараторе. На векторной диаг­рамме, приведенной на рис. 7.4, а, показаны соотношения фаз напряжений при равенстве частот обоих входных сигналов, ког­да входной колебательный контур находится в состоянии резо­нанса. В этом случае действующая в контуре индуцированная э д. с. E_инд изменяется в фазе с током I_к, протекающим через элементы (активные и реактивные) контура. Такое положение обусловлено тем, что при резонансе реактивное емкостное со­противление контура равно по величине и обратно по знаку ин­дуктивному реактивному сопротивлению контура; эти сопротив­ления компенсируются, так что контур имеет лишь активное сопротивление. Поэтому между з. д. с., действующей в контуре,, и током контура нет ни опережения, ни отставания.

Напряжение опорного сигнала E_L± на вторичной обмотке L₄. сдвинуто по фазе на 180° относительно индуцированной э.д. с,. E_ИНД. Поэтому E_L4 показано на рис. 7.4, а в виде вектора, на­правленного противоложно вектору Е_инл.

Поскольку катушка L₄ связана с входом и выходом систе­мы, каждый диод подвержен воздействию двух сигналов: опор­ного и входного. Однако общее напряжение на каждом диоде является не арифметической, а векторной суммой напряжений сигналов. Это объясняется тем, что падение напряжения E_L на нижней половине вторичной обмотки, отсчитываемое от сред­ней точки этой обмотки, опережает на 90° ток 1_К, протекающий через эту часть обмотки, по этой же причине падение напряже­ния E_L2 на верхней половине вторичной обмотки, также отсчи­тываемое от средней точки этой обмотки, должно отставать от вектора I_к на 90°; таким образом, при резонансе напряжение £д_э на диоде Д1 равно векторной сумме E_L4 и E_L2, а напряжение Eд₂ на диоде Д₂ равно векторной сумме E_L4 и E_L3, Напряже­ния Eд_х и Eд₂ показаны на рис. 7.4, а в виде диагоналей па­раллелограммов.

Если входной сигнал на L₁ отличается от опорного сигнала на L₅, то фазовые соотношения сигналов в рассматриваемом компараторе изменяются, в результате чего один из диодов про­водит лучше другого. Поэтому падение напряжения на одном из выходных резисторов становится больше падения напряже­ния на другом резисторе и их суммарное падение напряжение перестает быть равным нулю, причем его величина и полярность зависят от разности этих падений напряжений.

При изменении частоты входного сигнала колебательный контур (L₂ — L₃)C₁ выходит из резонанса и ток I_к во вторичноГс обмотке не изменяется в фазе с э.д. с. E_HHR. Это объясняется тем, что колебательный контур на частоте выше или ниже резо­нанса имеет индуктивное или емкостное сопротивление. Если ток отстает от э.д.с. E_ИНД, то векторная диаграмма принимает вид, показанный на рис. 7.4,6. Но между I_к и E_L2 или E_L3 со­храняется разность фаз, равная 90°. В результате этого напря­жение на диоде Д1 увеличивается, а на диоде Д₂ уменьшается, В этом случае диоды проводят неодинаково, и на выходе ком-ларатора появляется напряжение.

Изменение частоты входного сигнала в другом направлении приводит к увеличению £д₂ и уменьшению £д_х. Появляется выходное напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения, образующегося в предыдущем случае.