3.2 Фазовые детекторы

Фазовым детектором (ФД) называют устройство, предназначенное для преобразования разности фаз двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты в напряжение (рис. 22). Основной характеристикой ФД является зависимость выходного напряжения от разности фаз U_фд=F(), где  = ₁ +  ₂ – разность сравниваемых фаз напряжений. Функция F периодическая, так что U_фд=F(+k2), k = 0, 1, 2, …

Рис. 22  Функциональная схема фазового детектора

В системах РА применяются ФД двух типов: балансные (векторомерные) и параметрические. Наиболее часто используют балансные ФД, которые эффективно работают в области низких и высоких частот. Напряжение на выходе балансного ФД образуется из векторной суммы и разности двух напряжений: опорного u₁(t)=u₁ sin t и сигнала u₂(t)=u₂ sin (t+). (4.0)

Сумма и разность этих напряжений определяется выражениями

;

,

где ;

; φ – фазовый сдвиг между U₁ и U₂

; .

В статическом режиме напряжение на выходе ФД (рис. 26) определяется выражением

,

где k_фд – коэффициент детектирования.

При

.

Выражение приближенное, при U₁ = 5U₂ максимальная ошибка не превышает двух процентов.

Для исключения неоднозначности фазовой характеристики вводится начальный фазовый сдвиг между напряжениями равный 90 градусам.

Рис. 23. Дискриминационная характеристика фазового детектора

При малых отклонениях фазы от ₀ приращение напряжения на выходе ФД

,

k_фд = – k sin ₀ – коэффициент передачи ФД.

Из последнего выражения следует, что передаточная функция ФД W_фд(p)=k_фд. Если учесть инерционность детекторов, то передаточная функция ФД будет иметь вид

,

где T_фд – постоянная времени ФД.

В параметрических ФД зависимость выходного напряжения от сдвига фаз аналогичная.

3.3 Частотные дискриминаторы

Дискриминаторы предназначены для измерения сигнала рассогласования и преобразования его в постоянное или переменное напряжение. Различают частотные и временные дискриминаторы.

Частотные дискриминаторы (ЧД) – это устройства, выходные напряжения которых зависят от переходной частоты ₀: u_чд=F( – ₀).

По способу задания переходной частоты ЧД подразделяют на две группы. В дискриминаторах первой группы переходная частота определяется настройкой эталонного фильтра (колебательного контура). В ЧД второй группы переходная частота равна частоте колебаний напряжения с эталонного генератора.

Наиболее часто используют первую группу дискриминаторов с фазовым детектором (рис. 24), где ФВ – фазовращатель, сдвигающий фазу сигнала на /2; Ф – резонансный фильтр. В таком ЧД входной сигнал разделяется на две составляющие u₁ и u₂, сдвиг фаз между которыми при точной настройке контура на переходную частоту равен /2. При отклонении частоты входного сигнала от переходной частоты сдвиг фаз изменяется в соответствии с фазовой характеристикой резонансного контура. В результате чего изменяется напряжение на выходе ЧД.

Рис. 24. Функциональная схема частотного дискриминатора

Непосредственно из схемы (рис. 24) следует, что на ФД подаются напряжения

;

,

где  – отклонение частоты напряжения от переходной частоты; _ф() – фазовый сдвиг, создаваемый фильтром; W_ф(j) – амплитудно-частотная характеристика фильтра.

Напряжение на выходе ЧД будет иметь вид

,

–мнимая частотная характеристика фильтра.

Выражение определяет дискриминационную характеристику ЧД. Обычно используется нормированная характеристика . На дискриминационной характеристике (рис. 25) видно, что при малых значениях частотной расстройки характеристику можно считать линейной и ее можно представить в видеF() = k_чд, где k_чд – коэффициент передачи частотного дискриминатора. Из этого выражения следует, что передаточная функция ЧД равна

W_чд(p)=k_чд.

Рис. 25  Дискриминационная характеристика частотного

дискриминатора

Выражение для передаточной функции справедливо для линейного участка детекторной характеристики, т.е. когда полоса пропускания частотного дискриминатора больше эффективной ширины спектра его входного сигнала, в противном случае необходимо учитывать инерционность ЧД, которая определяется постоянной времени детектора.