ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИМПУЛЬСНОГО ТИПА

К другому типу ФД относится частотно-фазовый детектор (ЧФД), работающий по фронтам входных сигналов. Его выходной сигнал линеен в диапазоне от - 360° до + 360°. Он формирует сигнал ошибки, пропорциональный фазовому рассогласованию между входными сигналами при равенстве частот этих сигналов. Если входные сигналы различаются по частоте, то выходной сигнал ЧФД по знаку соответствует знаку разности частот. Это свойство расширяет диапазон захвата ФАПЧ.

Частотно-фазовый детектор содержит два триггера с раздельным запуском, схему «И», дифференциальный усилитель и фильтр НЧ (рис. 12.4). Входные сигналы ЧФД поочередно переводят триггеры в единичное состояние. После срабатывания обоих триггеров схема «И» возвращает их в исходное нулевое состояние. При этом на выходе триггера, фаза входного сигнала которого опережает фазу другого сигнала, формируются положительные импульсы, их длительность пропорциональна фазовой ошибке. Дифференциальный усилитель формирует разницу этих сигналов, т. с. импульсы, полярность которых зависит от знака ошибки, а амплитуда определяется ее величиной. НЧ-часть этого сигнала выделяет ФНЧ. Частотно-фазовый детектор может быть собран на специализированной микросхеме Ай9901, обеспечивающей формирование фазовой и частотной ошибки по тому же принципу в диапазоне от-180° до +180° [48].

Частотно-фазовый детектор, работающий по фронтам сигналов

Рис. 12.4. Частотно-фазовый детектор, работающий по фронтам сигналов

Частотно-фазовый детектор формирует сигнал ошибки по фронтам входных сигналов. Для опорного сигнала это не имеет принципиального значения, но сигнал с выхода фотоприемников может иметь недостаточное отношение сигнал / шум, а значит, фронты сигналов могут искажаться и множиться. Если для формирования прямоугольных импульсов (подаваемых на триггер) используется компаратор, то шумы мог ут приводить к появлению дополнительных коротких импульсов и вызывать ложное срабатывание триггера, что равносильно скачку фазы на 360°. Используют триггер Шмитта с достаточно большим гистерезисом. Амплитудная модуляция сигнала на этом элементе переходит в фазовую, что вызывает нежелательные девиации системы. Уменьшение амплитуды при больших отклонениях частоты из-за ограниченной полосы частот фотоприемника вызывает пропадание сигнала на одном из входов фазового детектора, в результате система может стать неустойчивой: отклонится в крайнее положение либо будет колебаться около равновесного состояния со значительной амплитудой (режим автоколебаний).

От этого недостатка свободны ФД на основе умножителей электрических сигналов, рассмотренные в предыдущем разделе. Импульсная помеха в них преобразуется в кратковременную помеху с нулевым средним значением, которую устраняет ФНЧ.

Достоинствами ЧФД являются широкий диапазон захвата и постоянство чувствительности. Зависимость знака выходного сигнала от знака разности частот может быть достоинством или недостатком в зависимости от решаемой задачи. Совмещение достоинств этих ФД в одной системе возможно. Для этого применяют сначала быстродействующую электронную систему ФАПЧ, которая осуществляет подстройку частоты и фазы генератора, управляемого напряжением (ГУН), к частоте и фазе сигнала биений. Быстродействие этой электронной петли должно быть настолько большим, чтобы не возникало частотной ошибки, приводящей к ослаблению или исчезновению сигнала. Эта цепь играет роль следящего фильтра. Сигнал ГУН используется как входной сигнал импульсного ЧФД для управления лазером в ФАПЧ верхнего уровня.

Покажем с помощью моделирования, что данный ЧФД действительно обладает теми свойствами, о которых сказано выше.

На рис. 12.5 показана структура для моделирования рассмотренного ЧФД, в которой триггеры реализованы на основе элементов «И-НЕ», а фильтр шестого порядка реализован последовательным включением шести фильтров первого порядка. Такая структура более наглядна. Также в структуре реализовано звено чистого запаздывания, которое на практике лучше реализовать последовательным включением нескольких инверторов, поскольку задерживать следует дискретный сигнал, что сильно упрощает его реализацию в сравнении со структурой на приведенной модели. К сожалению, программа КйЛ'ш не совсем подходит для моделирования цифровых схем на дискретных элементах (недостаточен запас моделей логических элементов).

На рис. 12.6 показаны выходные сигналы этого частотно-фазового детектора при различных значениях разности фаз.

Аналогичные графики получаются и при неравенстве частот. Получаемые семейства графикой настолько близки, что нет смысла приводить оба этих графика. Для наглядности можно показать соответствующие выходные сигналы при использовании фильтра только первого порядка (рис. 12.7) и при использовании такого фильтра с существенно меньшей постоянной времени, равной 0,1 с (рис. 12.8).

Структура ЧФД для моделирования в программе Уізйіт

Рис. 12.5. Структура ЧФД для моделирования в программе Уізйіт

Выходные характеристики ЧФД, полученные при различных значениях разности фаз (идентичны характеристикам, полученным при разных значениях частот)

Рис. 12.6. Выходные характеристики ЧФД, полученные при различных значениях разности фаз (идентичны характеристикам, полученным при разных значениях частот)

Таким образом, моделирование демонстрирует и подтверждает, что данный ЧФД, обладая диапазоном по разности фаз ±2л , также реагирует на разность частот с полным соответствием знака выходного сигнала знаку этой разности частот. Такой детектор чрезвычайно удобен для детектирования

Выходные сигналы ЧФД при несовпадении входных частот при использовании только фильтра первого порядка

Рис. 12.7. Выходные сигналы ЧФД при несовпадении входных частот при использовании только фильтра первого порядка

Выходные сигналы ЧФД при несовпадении входных частот при использовании только фильтра первого порядка с постоянной

Рис. 12.8. Выходные сигналы ЧФД при несовпадении входных частот при использовании только фильтра первого порядка с постоянной

времени 0,1 с разности фаз в системе ФАПЧ, поскольку при нарушении равенства частот на входе его сигнал действует для изменения частоты подстраиваемого генератора в нужном направлении, что выгодно отличает его от фазового детектора на основе умножителей сигналов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >