Фа́зовый дете́ктор , фазовый компара́тор (ФД) — дискриминатор , 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 ФД

Исключающее ИЛИ

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 длительности которых прямо пропорционально фазовому сдвигу и достигает максимума (на выходе логическая 1) при сдвиге, равном ${\displaystyle \pi }$ 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 ${\displaystyle \pi /2}$ для меандра. Для усреднения импульсного выходного сигнала на выходе этого фильтра устанавливают фильтр нижних частот (ФНЧ).

Балансный смеситель

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:

${\displaystyle \sin(\omega t+\alpha )\cos(\omega t+\beta )=}$

${\displaystyle ={\sin(\omega t-\omega t+\alpha -\beta ) \over 2}+{\sin(\omega t+\omega t+\alpha +\beta ) \over 2}=}$

${\displaystyle ={\sin(\alpha -\beta ) \over 2}+{\sin(2\omega t+\alpha +\beta ) \over 2}.}$

Первое слагаемое результата перемножения не зависит от времени, а только от разности фаз, и представляет собой постоянную составляющую на выходе четырёхквадрантного перемножителя. Второе слагаемое — гармоническое колебание с удвоенной частотой входных сигналов — высокочастотная составляющая. Обычное применение балансного смесителя — в качестве смесителя частот . Если же балансный смеситель предназначен для выделения разности фаз сигналов равных частот, то высокочастотную составляющую отфильтровывают с помощью фильтра нижних частот (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 ${\displaystyle \sin x=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+\dots }$ первым членом ряда:

${\displaystyle \sin(\alpha -\beta )=\alpha -\beta .}$

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

ФД, срабатывающие по фронтам входных сигналов

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 ФД

Традиционное применение ФД — в следящих системах автоподстройки частоты , где ФД совместно с генератором переменной частоты, управляемым 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 радиоприёмниках .

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. также

• Фазовая автоподстройка частоты — система автоматического регулирования, где применяется фазовый детектор.

Источники

• Хоровиц П ., Хилл У. Искусство схемотехники (в 2-х томах) = The Art of Electronics. — М. : Мир, 1980. — Т. 2. — 590 с.
• Mike Curtin and Paul O'Brien (July/August 1999). . Analog Dialogue . Analog Devices . Дата обращения: 25 апреля 2006 . {{ cite news }} : Проверьте значение даты: |date= ( справка )