Фазовый детектор Советский патент 1982 года по МПК H03D3/02 

(54) ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР

1

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

Известна схема балансного ФД на диоС

дах, содержащая 180 -ую фазосдвигающую цепь, вьшолненную на трансформаторе со средней точкой во вторичной обмотке, при этом источник первого с шусоидального .j сигнала связан с первичной обмоткой указанного трансформатора, а диоды подключены одинаковой полярностью к противоположным коншм его вторичной обмотки, нагрузки диодов шунтированы конденсато- ,5 рами и соединены последовательно, а между средней точкой упом5шутого трансформатора и средней точкой нагрузок включены вторичная обмотка другого трансформатора, у которого первичная обмотка 20 соединена с источником второго синусоидального сигнала.

Протяженность линейного участка выходной характеристики в таком ФД составляет ± 45 при квадратичном детектировании и приблизительно t 65 при линейном, причем при использовании в схеме ФД полупроводниковых диодов с квадратичным участком Х. O,Q 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 напряжен в нагрузках диодов.

Таким образом, основными недостатками упомянутого ФД являются: большой продент нелинейных участков (ЗО - 50%), где падает крутизна выходной характеристики ФД, и низкая чувствительность ФД по входу (для увеличения протяженности линейных участков требуется подавать па входы ФД сигналы большого уровня). Известен фазовый детектор, содержащий источники входного и опорного сигна лов, между выходами которых включен двунаправленный фазовращатель на 9О , первый и второй сумматоры, входы которых соединены с выходами источников входного и опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержащий первый и второй диоды, выходные электроды которых через.резистивную нагрузку, зашунтированную конден сатором, подключены ко входам вычитателя, при этом первые выводы сигналъ ного и опорного входов первого канала фазового детектирования соединены с выходами первого и второго сумматоров, Растяжка линейного участка в извес ном ФД возникает при величине фазовой задержки менее Л:/2, но сопровождается падением крутизны выходной характеристики. Так, при величине задержки 7С/6 протяженность линейного участка увеличивается примерно до ± 150, что почти в 3 раза больше, чем в обычном косинусно ФД, однако крутизна выходной карактёрис тики при этом падает в 5 - 6, раз, т. е. уменьшается чувствительность ФД к приращениям разности фаз на линейном учас ке, что весьма существенно. Другим недостатком является несимметричная форм выходной характеристики и появление в связи с этим нерабочих участтсов, занима щих примерно 2О% от всего диапазона из мерения разности фаз 1ЗО, что особе но важно, когда надо производить изме- рение при любой разности фаз. Следовательно, основными Недостатками известного ФД при больших величинах задержек (л-71/2), являются: узкая зона линейного измерения разности фаз {менее ±75°) и непригодность ФД для линейного измерения любой разности фаз, низкая чувствительность ФД по входу, а также ограниченный частотный диапазон возможного использования.. Цель изобретения - повьпиение линейности и чувствительности. Для достижения дели в фазовый детек тор, содержащий источники входного и опорного сигналов, между вьссодами кото рых включен двунаправленный фазовращатель на 90 , первый и второй сумматоры входы которых соединены с вьрсодами источников входного и опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержащий первый и второй диоды, выходные электроды которьк через резистивную нагрузку, зашунтированную 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, фазовращатель на 18О и второй канал фазового детектирования, идентичный первому, первые выводы сигнального и опорного входов которого через фазовращатель на 180 и непосредственно соединены соответст венно с выходами первого и второго сумматоров, межцу 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 усилите ЛЬ-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 каналавключены разнополярно. На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного фазового детектора; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, поясняющие приншт формирования выходной характеристики ФД с неограниченными пределами линейного измерения фаз. Фазовый детектор содержит источник 1 входного сигнала, источник 2 опорного сигнала, двунаправленный фазовращатель 3 .на 90, первый и второй сумматоры 4 и 5, первый и второй каналы 6 и 7 фазового детектирования, блок 8 управления, фазовращатель 9 на 180°. При этом каждый канал фазового детектирования содержит первый к второй диоды 1О и 11, резистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором 12, лычитатель 13, третий, четвертый и пятый сумматоры 14, 15 и 16, усилитель-ограничитель 17, третий диод 18 с резистивиой нагрузкой 19, зашунтированной конденсатором. /. Предложенный фазовый детектор работает следующим образом. С выходов источников 1 и 2 сигналов поступают сдвинутые по фазе сигналы постоянной амплитуды и частоты и,--Е5() (.1) . 0.2 tsin(w-t--) (г) где С , wJ , tp - соответственно, амплитуда, частота и относитепг ная разность фаз измеряемых сигналов. В результате взаимного сдвига фаз казкдого из сигналов на 90 в фазовраща теле 3 и .сложения сдвинутого и несдвинутого сигналов Б сумматорах 4 и 5 на их выходах образуются сигналы ) (urt-J+9o )2tAiSM () С) SIM Ш + 5 90) + ({jUt+|) iEAa.sin(U)), (4) где для сокращения последующих выражений обозначено А С05( - р/1)(5) AI сов(45° + vp/2)(6) Законы изменения амплитуд и фаз ко- эффициентов А и А/j имеют фундаментальное значение для понимания принципов работы прёдл агаемого ФД (см. фиг. 2с|), Из этой диаграммы видно, что указанные коэффициенты изменяются не толысо по абсолютной величине, но и меняют скачком свой знак в определенных точках, что эквивалентно перевороту фазы несушей частоты в этих точках на ISO. Из диаграммы а также видно, что весь интервал изменения Ц) , какой бы широкий он ни был, можно разбить на четыре характерных участка 1 ,l| , lii , V , повторяющихся в определенной после дователь ности, причем на участках вида I оба коэффициента А и Д положительны; на учас ках вида И коэффициент А положителен, а коэффициент А 2 отрицателен; на участках вида 1И оба коэффициента отриоательщл; и, наконец, на участках вида 1У.ко)фи циент Д .отрицателен, а Д2 положвтелев. Для пояснения принципа получения линейно ломанной характеристики в предлагаемой схеме фиг. 1 достаточно рассмо-рреть работу одного вз каналов, нацрго ер первого канала 6. Сигналы с выхода первого 4 и второго 5 сумматоров поступают в третий сумматор 14, при этом в первом канале 6 при работе на участке I указанные сигналы складываются синфазно IE (/А, I )eiH (luU45 J (j) а при работе на участке Ц - противофазно --2E(/Ail-/Ail)siHCwt 4S)(e) где АI и -А I, - модули коэффишгаетов А . и , Соответственно при работе на участке III сигналы складьюаются синфазно, но и поворотом фаз обеих несущих на ISO, U t А - II -(I ir 4 (/Ai/-i-/Ail)siM((Utt45%Yec ; (9) а на участке IV - противофазно ,v) - 2E(/A.L/-/Ai/sih(u i+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 вьшолнен надифференциальном усилителе с общей коллекторной нагрузкой, принимают для простоты равным единице. Как видно из формул (7) и (9) амплитуды сигналов на участках } и III канала .6 изменяются одинаково .)2.Е(/А,И/А2.|)--2E /cos(45«-)/.Coe (450-1) ( и хотя они зависят от ф , но изменяется от своего минимального значения, равного 2 Е, до максимального значения 2,82Е и, следовательно, в пределах укаг занных участков амплитудь нигде не падают ниже 2Е. Фаза несущей суммарного . сигнала в пределах данного участка постоянна, т. е. не зависит от изменений Ч см. {7) и (9). На участках И и f амплитуды суммари ных сигналов в первом канале 6 наоборот принимают весьма малые значения и меняются от нуля до максимального значения, непревышающего 2Е (см.диаграмму df). Эти особенности выходных сигналов сумматора 14 позволяют на участках j и сформировать из них опорные сигналы не только с постоянной в пределах данного участка фазой, но и с постоянной амплитудой, для чего они подаются на усилитель-ограничитель 17 с уровнем ограничения по входу Оо 2Е и коэффициентом передачи . На выходе усилителя-ограничителя 17 первого канала 6 при работе на участках ) и Я| по5юляются сигналы Ц,(А,) 1 (2ЕКо)S1H ( -.Eo,bin(cu-t+45}(-L) ,,,) .| (.гЕКо)1и(Ы 4Б Н80; г EQ5iH(U)t-«-45H9 /;(Ъ) - ВЕКо постоянная амплитуда первой гармоники синусоидального сигнала на выходе усилителяограничителя 17. , Так как амплитуды сигналов, поступаю щие в ограничитель 17 первого канала 6 с других участков Ч и W , лежат ниже уровня ограничения, то они не могут быт использованы для формирования опорного сигнала постоянной амплитуды, т. е. при попадании разности фаз измеряемых сигналов на эти участки первый канал 6 должен автоматически выключаться. Далее сигналы подаются на одноименные входы четвертого и пятого сумматоров, где складываются с вьгходными сигналами сумматоров 4 и 5, причем при работе первого канала 6 на участке ,(A,) u.u. I os -4- IS-IM|(uu 45Л (14J - ЙЕКо ,) ,tA,)+U5Ci) -Tr- x -l |cose 54)) И а при работе канала 6 на участке 1Н ,,§ibr, + L V).)-U404)- L 4Ko ()(U;t+46)/ (-«fe) (1|Л - o by U.,(A,,J--U,(A,,,)-U Mil 4 f L (,411 -5 -/ Tf JCOS(45%|)/S1H (utH +feo (7 Для обеспечения линейного детектирования сигналов диодами Юн 11 нербходимо, чтобы при всех изменениях разности фаз Vp в .пределах рассматриваемого участка амплитуды детектируемых сиг налов всегда бы превьпиали квадратичную область детекторной характеристаки полупроводникового диода, т. е. необходимо обеспечить вьшолнение условий ...( ( 0,6В . ДКо i/J О ),ьЬ ( Т L 4-Ко Так как в этих выражениях второе слагаемое всегда положительно или равно нулю, то достаточно вьшрлнить условиеftEKo(20) ТС которое гарантирует линейное детектирование при любых разбросах параматров полупроводниковых диодов 1О и 11. Условие (2О) в предлагаемом ФД легко выполнить. Например, при tCp 2 требуемая амплитуда входных сигналов составляет Е - 0,2 В, а при Q 4 требуется еще меньшая амплитуда входного напряжения Е - 0,1 В. Если в качестве полосового усилителяограничителя 17 использовать всего один транзисторный каскад ОК-ОБ с коэффициентом усиления Ко 8 (18, дБ), то для обеспечения линейного детектирования требуется еще меньший уровень входных сигналов (Е 5О мВ), при этом выигрьш в чувствительности ФД по ВХОДУ по сравненЙЕо с известными диодными ФД составляет Е ЗО - 7О раз (30 - 37 дБ). Для пеленгаторов это означает, что коэффициент усиления каждого из приемных каналов, включаемых перед ФД, может быть уменьшен на 30-37 дБ, 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 из условий (18) и (19) в предлагаемом ФД не обязательно использовать каскад с жестким 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 н 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 б на участках I и III амплитуды выходных сигналов сумматоров 15 и 16 всегда таковы, что обеспечивается линейный режим детектирования. При линейном режиме детектирования указашп-к сигналов разнополярно включенными диодами 10 И 11с коэффициентами передачи К э на резисторных нагрузках 12 выделяются напряжения разных знаков U |C05C45-|)) I UO--(.) J(2. а с выходов первого канала 6 снимается 55 сумма разнополярных напряжений ВЫХ-. , Ч-1 Пглс/лсо in irr,c.r/)c« ) (1/оя 0 EoD СО(45 - ,)(45t f) / J (ОЗ; Выходная характеристика ФД, соответствующая работе канала 6 на участках 1 и И1 , показана на диаграмме -в фиг. 2 сплошными прямыми линиями. Характеристика вычисйена по формуле (23) при коэффициенте пропорциональности О,5-О,1 ОД В. Выходные напряжения детекторов, которые также нанесены на диаграмме € фиг. 2 вычислены по формуле (21) и (22) при соответствующем значении ко- 9ффиш1ента пропорциональности f-OfO- Q с о ,ь ь. Как видно из диаграммы -8 фиг. 2 выходная характеристика ФД на участках I и П1 имеет прямолинейную зависимость от разности фаз входных сигналов на про тяжении всего участка шириной 180°, не смотря на то, что амплитуды суммарных сигналов выходнзых напряжений сумматоро 15 и 16 на входах диодов и соответстве но выпрямленные напряжения на нагрузках дйэдов, нелинейно зависят от . Получение указанной линейной зависимости физически объясняется тем, что в предлагаемом ФД уменьшение приращения амплитуд суммарных сигналов на выходе одного диода на определенную величину компенсируется в вычитателе 13 соответствующим увеличением приращений амплитуд суммарных сигналов на выходе другого диода, что видно из сравнения выходных напряжений сумматоров 15 и 16, приведенных на диаграмме -в . Образование напряжений с взаимно компенсирующими нелинейноетями достигнуто в предлагаемом ФД в результате формирования из двух входных сигналов малого уровня опорного сигнала большого уровня с постоянной амплитудой и фаЗОЙ, 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 Я и W используется второй канал 7, который работает аналогично первому каналу 6 с той лишь разнице что все процессы в нем сдвинуты на 180 по отношению процессов, протекающих в первом канале 6, что достигается с помошью фазовращателя 9. Образующиеся при этом напряжения показаны на Д1вгра мах d и 6 (ф;1г. 2) пунктиром. При измерении полярТяости включения диодов 1О и 11 во втором канале 7 (по сравнению с указанной на фиг. 1) наклон выходной характеристики второго канала 7 стает идентичным первому каналу 6. Для логического переключения выходе каналов 6 и 7 используются диоды 18, связанные с сумматорами 14. Когда амплитуда сигнала на выходе сумматора 14 канала 6 достигает максималъ ного значения, на выходе аналогичного сумматора канала 7 она равна нулю или наоборот (см. диаграмму (Г на фиг. 2). Соответственно изменяются и сигналы на нагрузках 19 диодов 18, что позволяет осуществлять логическое переключение выходов каналов 6 и 7 в последующих 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 (1-1000 МГц) и СВЧ (11101500ОМГц). При этом в зависимости от рабочей частоты изменяется конструкция фазосдвигающих цепей (ЛЗ на сосредоточенных элементах, катушка, намотанная 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 н ВЧ, а в диапазоне СВЧ - кольцевые сумматоры. Таким образом, использование в схеме предлагаемого ФД второго канала со своей детекторной системой, а также определен- , кое подключение этого канала к общей для двух каналов 9О -ой фазосдвигающей цепи с двухсторонней направленностью, введение в схему каждого канала трех дополнительных сумматоров, контрольного детектора и полосового усилителя с фазовращателем, 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 фазовращатель на 90 , первый и второй сумматоры, входы которых соединены с выходами источников входного и

опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержащий первый и второй диоды, выходные эпектродь которых через -резистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором, подключены к входам вычитатепя, при этом первые, вьгаодЫ сигнального и опорного входов первого канала фазового детектирования соединены с выходами первого и второго сумматоров, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности и чувствительности, введены блок управления, фазовращатель на ISO и второй канал фазового детектирования, идентичный первому, первые выводы сигнального и опорного входов которого через фазовращатель на 180 и непосредственно

хледрнены соответственно с выходами первого и,второго сумматоров, между вторыми выводами сигнального и опорного входов, каждого канала включен третий сумматор, между входными электродами перв(рго и второго диодов каждого канала и входами tpeTbero сумматора Ьведены соответственно четвертый и пятый сумматоры.между точкой соединения вторых входов которых и выходом третьего сумматора включен усилитель-ограничитель, а мелщу выходом третьего сумматора каждого канала и выходами блока упраьления включен третий диод с нагрузкой, затиунтированной конденсатором, при этом первые и вторые диоды каждого канала включены разнопол5фно.