Фазовый детектор

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 11 951 642(51)М. Кл, Н 03.О 3/02 с присоединением заявки,% Рвудероткнвй комитет СССР ае делом изобретений к открытий(23) Приоритет Опубликовано 15,08,82 Бюллетень30 Дата опубликования описания 19.08.82(54 ФАЗОВЪЙ ДЕТЕКТОР 1Изобретение относится к радиотехнике, в частности к аналоговым фаэовым детекторам (ФД) и может быть использовано в обзорных фазовых пеленгаторах и измерительной технике.Известна схема балансного ФД на дио едах, содержащая 180 -ую фаэосдвигающую цепь, выполненную на трансформаторе со средней точкой во вторичной обмотке, при этом источник первого синусоидального сигнала связан с первичной обмоткой укаэанного трансформатора, а диоды подюпочены одинаковой полярностью к противоположным концам его вторичной обмотки, нагрузки диодов шунтнрованы конденсато-, рами и соединены последовательно, а между средней точкой упомянутого 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 состав 2ляет Т 4 Ф при квадратичном детектировании и приблизительно Ф 65 при линейоном, причем при использовании в схеме ФД полупроводниковых диодов с квадратичным участком 0,6 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 синусондальных сигналов складываются и вычитаются на отдельных участках нелинейно, причем законы нелинейного сложения таковы, что они не компенсируют друг друга при последующем вычитании напряжений в нагрузках диодов.Таким образом, основными недостатками упомянутого фД являются; большой процент нелинейных участков (30 - 50%), где падает крутизна выходной характеристики ФД, и низкая чувствительность ФД по входу (для увеличения протяженности линейных участков требуется подавать на входы ФД сигналы большого уровня).Известен фазовый детектор, содержаший источники входного и опорного сигналов, между выходами которых включено двунаправленный фаэоврашатель на 90, первый и второй сумматоры, входы кото рых соединены с выходами источников входного и опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, соиержаший первый и второй диоды, вы ходные электроды которых через резистивную нагрузку, защунтированную конденсатором, подключены ко входам вычитателя, при этом первые выводы сигналь ного и опорного входов первого канала фазового детектирования соединены с вы ходами первого и второго сумматоров."Растяжка" линейного участка в известном ФД возникает при величине фазовой задержки менее Х 2, но сопровождается падением крутизны выходной характерис тики, Так, при величине задержки%/бпротяженность линейного участка увеличивается примерно до + 150, что почти в 3 раза больше, чем в обычном косинусном ФД, однако крутизна выходной характерис 25 тики при этом падает в 5 - 6, раз, т; е, уменьшается чувствительность ФД к приращениям разности фаз на линейном участ- ке, что весьма существенно. Другим недостатком является несимметричная формаЗО выходной характеристики и появление в связи с этим нерабочих участков, занимающих примерно 20% от всего диапазона измерения разности фаэ 280, что особенно важно, когда надо производить изме- З 5 рение при любой разности фаз.Следовательно, основными йедостатками известного ФД при больших величинах задержек (72), являются: узкая эона линейного измерения разности фаз (ме- ао нее й 75 ) и непригодность ФД для линейного измерения любой разности фаэ, низкая чувствительность ФД по входу, а также ограниченный частотный диапазон возможного использования. 45Бель изобретения - повышение линейности и чувствительности.Для достижения цели в фазовый детектор, содержаший источники входного и опорного сигналов, между выходами кото О рых включен двунаправленный фазоврашаотель 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 электроды которых через резистивную нагрузку, зашунтирован- . ную 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, фазоврашатель на 180 и второй канал фазовогоодетектирования, идентичный первому, первые выводы сигнального и опорного вхоо дов которого через фазоврашатель на 180 и непосредственно соединены соответственно с выходами первого и второго сумматоров, между 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 усилитель-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, поясняюшие принцип формирования выходной характеристики ФД с неограниченными пределами линейного измерения фаз.Фазовый детектор содержит источник 1 входного сигнала, источник 2 опорного сигнала, двунаправленный фаэоврашательо3 .на 90, первый и второй сумматоры 4 и 5, первый и второй каналы 6 и 7 фазового детектирования, блок 8 управления, фазоврашатель 9 на 180 . При этом каждый канал фазового детектирования содержит первый и второй диоды 10 и 11, реэистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором 12, вычитатель 13, третий, четвертый и пятый сумматоры 14, 15 и 16, усилитель-ограничитель 17, третий диод 18 с резистивной нагрузкой 19, зашунтированной конденсатором./Предложенный фазовый детектор работает следующим образом.ЖС выходов источников 1 и .2 сигналов поступают сдвинутые по фазе сигналы постоянной амплитуды и частоты95164 где аВЕКОо" 30- постоянная амплитудапервой гармоники синусоидального сигналанв выходе усилителяограничителя 17.Так как амплитуды сигналов, поступающие в ограничитель 17 первого канала 6 с других участкови 1 Ч, лежат ниже уровня ограничения, то они не могут бытьО использованы для формирования опорного сигнала постоянной амплитуды, т. е. при попадании разности фаэ измеряемых сигналов нв эти участки первый канал 6 должен автоматически выключаться.5Далее сигналы подаются на одноимен-, ные входы четвертого и пятого сумматоров, где складываются с выходными сигналами сумматоров 4 и 5, причем при работе первого канала 6 на участке0 А )=0 (А )+О (,)= ЬЕКо ЮИ4) в при работе канала 6 на участкеО А )=О (А )-О : - 1+ВЕКО ГИ7 " 4 й4 К 0(СОО 48+ - )/ЬИ М 48+480 /7)35Для обеспечения линейного детектирования сигналов диодами 10 и 11 нербходимо, чтобы при всех изменениях разности фаз М в .пределах рассматриваемого участка амплитуды детектируемых сиг. 0 налов всегда бы превышали квадратичную область детекторной характеристики полупроводникового диода, т. е. необходимо обеспечить выполнение условий 7 до (сои 48-1)/7 оьо ио) ио гс "4 /сои 45+ о)/ОЬЬ )9)Так как в этих выражениях второе слагаемое всегда положительно или рав 50 но нулю, то достаточно выполнить условие ИКогЮ,(20) 2 8требуемая амплитуда входных сигналов составляет Е = = - в " - 0,2 В, а при (О= 4 требуется еше меньшая амплитуда входного напряжения Е0,1 В. Если в качестве полосового усилителя- ограничителя 17 использовать всего один транзисторный каскад ОК-ОБ с коэффициентом усиления К о = 8 ( 18, дБ), то для обеспечения линейного детектирования требуется еше меньший уровень входных сигналов (Е: 50 мВ), при этом выигрыш в чувствительности ФД по входу по сравнению с известными диодными ФД составляет Е == 30- 70 раэО,О 8 Г(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 пеленгаторахЭта экономия существенное значение имеет и при работе ФД непосредственно в диапазоне СВЧ.Как видно иэ 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 и 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 6 на участках 1 и И амплитуды выходных сигналов сумматоров 15 и 16.всегда таковы, что обеспечивается линейный режим детектирования. При линейном режиме детектирования указанных сигналов разнополярно включенными диодами 10 и 11 с коэффициентами передачи Кэ на резисторных нагрузках 12 выделяют ся напряжения разных знаковкоторое гарантирует линейное детектирование при любых разбросах параматров полупроводниковых диодов 10 и 11.Условие (20) в предлагаемом ФД легко выполнить. Например, при Ко = 2 а с выходов первого канала 6 снимаетсясумма разнополярных напряжений0 =Е +ЬЬХ .4) + Е = 2.КРСОЪ(454- Д)-Со(45 ф) Д (ф95 164 Выходная характеристика фД, соответствующая работе канала 6 на участках 1 и 1, показана на диаграмме 8фиг. 2 сплошными прямыми линиями. Характеристика вычислена по формуле (23) 5при коэффициенте пропорциональности2 КЗЕ =2 0,5 0,1 = 0,1 В.Выходные напряжения детекторов, которые также нанееены на диаграмме 8фиг. 2 вычислены по формуле (21) и(22) при соответствующем значении коэфпиента пропорнионапъноотн - "Вкдекон она = О,В В,3, 14.Каквидно из диаграммы 3 фиг,2 выходная характеристика ФД на участкахи П имеет прямолинейную зависимостьот разности фаз входных сигналов на проотяжении всего участка шириной 180, несмотря на то, что амплитуды суммарныхсигналов выходных напряжений сумматоров 2015 и 16 на входах диодов и соответственно выпрямленные напряжения на нагрузках диодов, нелинейно зависят от Ф, Получение указанной линейной зависимостифизически объясняется тем, что в предлагаемом фД уменьшение приращенияамплитуд суммарных сигналов на выходеодного диода на определенную величинукомпенсируется в вычитателе 13 соотгветствуюшим увеличением приращений Зоамплитуд суммарных сигналов на выходедругого диода, что видно из сравнениявыходных напряжений сумматоров 15 и16, приведенных на диаграмме 4,Образование напряжений с заимно 35компенсирующими нелинейностями достигнуто в предлагаемом фД в результатеформирования из двух входных сигналовмалого уровня опорного сигнала большоГО уровня с пОстОяннОЙ амплитудой и фа 40зой, а также в результате суммированиявыходных напряжений первого и второгосумматоров, симметрично сдвинутых вразные стороны по фазе, с фазонезависимым опорным сигналом в четвертом ипятом сумматорах.Для получения линейной характеристики на участках 11 и 1 Ч используется второй канал 7, который работает аналогично перрому каналу 6 с той лишь разницей,с 50что все процессы в нем сдвинуты на 180по отношению процессов, протекающих впервом канале 6, что достигается с помощью фазоврашателя 9. Образующиесяпри этом напряжения показаны на дюграммах О и о (Ф;и. 2) пунктиром. При из 55мерении полярности включения диодов 10и 11 во втором канале 7 (по сравнениюс указанной на фиг. 1) наклон выходной 2 10характерйстики второго канала 7 стает идентичным первому каналу 6Для логического переключения выходов каналов 6 и 7 используются диоды 18, связанные с сумматорами 14. Когда амплитуда сигнала на выходе сумматора 14 канала 6 достигает максимального значения, на выходе аналогичного сумматора канала 7 Она равна нулю или наоборот (см, диаграмму Ю нафиг.2). Соответственно изменяются и сигналы на нагрузках 19 диодов 18, что позволяет осуществлять логическое перекли- чение выходов каналов 6 и 7 в после,- дующих устронствах 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 (1110- 15000 МГц). При этом в зависимости от рабочей частоты изменяется конструкция фазосдвигаюших цепей (ЛЗ на сосредоточенных элементах, катушка, намотан-ная 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-, ное подключение этого канала к общей для двух каналов 90 -ой фазосдвигающей цепи с двухсторонней направленностью, вве дение в схему каждого канала трех дополнительных сумматоров, контрольного детектора и полосового усилителя с фаэоврашателем, 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 фазоврашатель на 90, первый и второй сумматоры, входы которых соединены с выходами источников входного и9516опорного сигналов, а также первый канал фазового детектирования, содержащий первый и второй диоды, выходные электроды которых через резистивную нагрузку, зашунтированную конденсатором, подключены 5 к входам вычитателя, при этом первые выводы сигнального и опорного входовпервого канала фазового детектирования соединены с выходами .первого и второго сумматоров, о т л и ч а ю ш и й с.я 0 тем, что, с Мелью повышения линейности и чувствительности, введены блок управления, фазовращатель на 180 и второй канал фазового детектирования, идентичный первому, первые выводы сигнального и опорного входов которого черы фазовращатель на 180 н непосредственног" 42 12йоепвнены соответственно с выходами первого и, второго сумматоров, между вторыми выводами сигнального и опорного входов, каждого канала включен третий сумматор, между входными электродамипервэго и второго диодов каждого канала и входами третьего сумматора Ьведены соответственно четвертый и пятый сумматоры, между точкой соединения вторых входов которых и выходом третьего сумматора включен усилитель-ограничитель, а между выходом третьего сумматора каждого канала и выходами блока управления включен третий диод с нагрузкой, зашунтнрованной конденсатором, при этом первые и вторые диоды каждого канала включены разнополярно.атеит", г. Ужгород, ул. Проектная илиал аз 5970/72 Тираж 959 ВНИИПИ Государственн по делам изобретений 113035, Москва, ЖПодписное го комитета СССР и открытий Раушская наб., д. 4/