Фазовый детектор

Фа́зовый дете́ктор, фазовый компара́тор (ФД) — электронное устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов равных или близких частот.

На вход ФД подаются два сигнала, фазы которых нужно сравнить, на выходе ФД формируется сигнал, обычно напряжения, являющейся в некотором диапазоне изменения разности фаз монотонной функцией разности фаз входных сигналов.

Применяется в системах фазовой автоподстройки частоты, синтезаторах частот, радиоприёмной аппаратуре, стабилизаторах частоты вращения шпинделей, например, накопителей на жёстких дисках и др.

Типы ФДПравить

 
ФД на логическом элементе XOR

Исключающее ИЛИПравить

Простейший ФД — логический элемент «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». При подаче на вход этого элемента двух прямоугольных колебаний равных частот с равной скважностью, например, меандры, с нулевым фазовым сдвигом его выходное напряжение равно нулю (логический 0). При ненулевом сдвиге фаз на выходе элемента формируются импульсы, среднее значение которых прямо пропорционально фазовому сдвигу и достигает максимума (на выходе логическая 1) при сдвиге равном   в случае сигналов со скважностью 2. Фазовый детектор этого типа нечувствителен к знаку разности фаз, поэтому для получения монотонной зависимости выходного сигнала от разности фаз один из сигналов должен иметь начальный фазовый сдвиг, оптимально равный   для меандров. Для усреднения импульсного выходного сигнала на выходе этого фильтра устанавливают фильтр нижних частот (ФНЧ).

Балансный смесительПравить

Другой тип ФД — это четырёхквадрантные перемножители двух входных сигналов, которые часто называют балансными смесителями. На выходе балансного смесителя присутствуют удвоенная частота входных сигналов и постоянная составляющая, пропорциональная разности фаз, что следует из выражения:

 

Первое слагаемое результата перемножения не зависит от времени, а только от разности фаз, и представляет собой постоянную составляющую на выходе фазового детектора. Второе слагаемое — гармоническое колебание с удвоенной частотой входных сигналов — высокочастотной составляющей. Обычное применения балансного смесителя — в качестве смесителя частот. Если же балансный смеситель предназначен для выделения разности фаз сигналов равных частот, то высокочастотную составляющую отфильтровывают с помощью ФНЧ.

Если разность фаз сигналов невелика, то выходной сигнал фазового детектора приближенно линейно зависит от разности фаз в соответствии с приближённым равенством — ограничения разложения функции синуса в ряд Маклорена   первым членом:

 

Схемотехнически балансные смесители обычно строятся по схемам кольцевых модуляторов или по схеме ячейки Гилберта.

ФД, срабатывающие по фронтам входных сигналовПравить

ФД этого типа чувствительны к относительному положению фронтов входных сигналов. Например, если сигнал А опережает сигнал Б, то на выходе этого ФД формируются импульсы положительной полярности с длительностью пропорциональной разности фаз и с частотой повторения равной частоте входных сигналов. Если сигнал Б опережает сигнал А, то на выходе формируются импульсы отрицательной полярности. Для получения выходного напряжения, пропорционального разности фаз на выходе ФД применяют ФНЧ.

Применение ФДПравить

Традиционное применение ФД — в следящих системах автоподстройки частоты, где ФД, совместно с генератором переменной частоты, управляемый напряжением (ГУН) включены в контур отрицательной обратной связи. Сигналом задания для этой системы автоматического регулирования является частота входного сигнала, а ФД является сравнивающим устройством. В передаточную функцию ФНЧ, установленном на выходе ФД перед ГУН, дополнительно вводят ноль, для обеспечения запаса устойчивости по фазе. В простейшем случае, если ФНЧ является RC-фильтром НЧ, то ноль в передаточной функции можно получить включив резистор с нужным сопротивлением последовательно с конденсатором фильтра.

Также ФД используются в синтезаторах, умножителях и делителях частот. В этих системах на вход ФД подаются не сами сигналы, а сигналы, полученные в результате умножения, деления, суммирования или вычитания нужных частот.

В радиосвязи ФД применяется в системах автоподстройки частоты гетеродина в супергетеродинных радиоприёмников.

В телефонии ФД применяется в устройствах декодирования тонального вызова.

При стабилизации частоты вращения шпинделей и валов на один из входов ФД подаётся сигнал от опорного генератора, на второй — импульсы от меток частотного датчика оборотов, и выходной сигнал ФД управляет не ГУН, а электрическим приводом вала.

См. такжеПравить

ИсточникиПравить