5.8 Фазовые детекторы (фд)

Одним из перспективных направлений приема ФМ-сигналов является синхронное детектирование гармонических колебаний. Оно позволяет значительно повысить помехоустойчивость и линейность детектирования. Сущность синхронного детектирования заключается в том, что на вход детектора вместе с напряжением ФМ-сигнала подают напряжение опорного генератора (гетеродина), совпадающее по частоте и фазе с несущей частотой ФМ-сигнала. Для получения синхронного напряжения опорного генератора можно использовать следящий фильтр или систему фазовой автоподстройки частоты, которая более надежна и легко реализуется на универсальных микросхемах.

5.8.1 Перемножающие детекторы. В качестве перемножающегося детектора можно использовать дифференциальный усилитель (см. рисунок 5.42).

Рисунок 5.42 – Фазовый детектор на дифференциальном усилителе

Работа схемы основана на распределении коллекторного тока транзистора VT3, изменяющегося под действием опорного напряжения U_ОП(t), между транзисторами дифференциального каскада VT1 и VT2, на вход которого подается напряжение U_ФМ(t), сдвинутое относительно опорного на угол , пропорциональный модулирующему сообщению. На выходе дифференциального каскада выделяется напряжение, пропорциональное разности постоянных составляющих коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2.

Пусть на схему подаются напряжения U_ФМ(t)=U₁cos(ω₁t+) и U_ОП(t)=U₂cosω₁t, причём каскад на транзисторе VT3 работает в линейном режиме. Конденсаторы С1 и С2 образуют с нагрузочными резисторами R1 и R2 фильтры нижних частот, постоянные времени которых значительно больше периода входных напряжений. Практически ёмкость конденсаторов выбирается из условия

C1 = C2 20/(ω₁R₂) . (5.41)

При этом выходное напряжение ФД определяется постоянными составляющими I_k1 и I_k2 коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2, которые равны

I_k1 = ₁(a₀I₀+ a₁S₃U₂cos)/2;

I_k2 = ₂(b₀I₀+ b₁S₃U₂cos)/2.

В симметричной схеме (₁=₂, R1=R2) при отсутствии внешнего напряжения смещения U_СМ и внутреннего напряжения смещения нуля коэффициенты а₀ = b₀ = 1 и a₁ =b₁. Поэтому выходное напряжение ФД равно

U_ВЫХ = (I_k1-I_k2)R2 = -₂b₁S₃U₂cos . (5.42)

Из выражения (5.42), определяющего характеристику детектирования схемы, видно, что нормированной характеристикой ФД в рассматриваемом режиме работы является косинусоида, выходное напряжение ФД прямо пропорционально амплитуде U₂.

Если на вход U_ФМ(t)подавать гармонический сигнал, а на вход U_ОП(t)– импульсный, то форма нормированной характеристики изменяется от косинусоидальной до линейной в зависимости от величины амплитуды U₁. Если оба входных сигнала импульсные, нормированная характеристика линейна независимо от их амплитуд.

В заключение следует отметить, что, так как в схеме не используются трансформаторы, то она может применяться в широком частотном диапазоне.

5.8.2 Фазовые измерители (см. рисунок 5.43). Фазовый сдвиг между двумя импульсными последовательностями одной частоты можно определить с помощью схемы измерителя, приведенной на рисунке 5.43,а. В зависимости от взаимного соотношения входных сигналов на выходе D-триггеров формируются различные сигналы, постоянная составляющая которых определяет фазовый сдвиг. Эта составляющая выделяется на RC-фильтре.

Принцип работы и основные характеристики измерителя можно определить из эпюр сигналов, приведенных на рисунке 5.43,б-г.

В зависимости от взаимного положения входных сигналов меняется форма сигналов на выводах 5 и 9 микросхемы DD1.

На рисунке 5.43,б сигнал U_ВХ1 опережает сигнал U_ВХ2, на рисунке 5.43,в сигнал U_ВХ1 отстает от сигнала U_ВХ2, а на рисунке 5.43,г эти сигналы совпадают.

В качестве формирователя импульсной последовательности можно использовать компаратор или триггер Шмитта.