Фазовые дискриминаторы.

Фазовые дискриминаторы предназначаются для обнаружения фазового сдвига между двумя переменными напряжениями с одинаковыми или близкими по значению частотами и преобразования этого сдвига в пропорциональное значение постоянного напряжения.

В радиоэлектронных системах управления фазовые дискриминаторы используются для разделения каналов системы автоматического сопровождения по направлению движущихся объектов, а также в качестве интегрирующих дискриминаторов в системах фазовой автоподстройки частоты и, в частности, в доплеровских измерителях скорости движущихся объектов.

Рис. 1.28

Рис. 1.29

Рис. 1.30

Существует несколько разновидностей схем фазовых дискриминаторов. В данном пособии рассматривается дискриминатор на полевых транзисторах, схема которого представлена на рис. 1.28. Чтобы выходное напряжение фазового дискриминатора зависело лишь от измеряемого фазового сдвига и не зависело от амплитуды входного напряжения, перед фазовым дискриминатором ставят амплитудный ограничитель.

Обозначим: опорное напряжение дискриминатора; — входное парафазное напряжение дискриминатора, где действующее значение напряжения сигнала на выходе амплитудного ограничителя; фазовый сдвиг входного напряжения дискриминатора относительно опорного напряжения; сопротивление стоковой нагрузки; емкость конденсатора фильтра нижних частот; крутизна характеристики полевого транзистора.

Тогда

где — токи в стоковых цепях транзисторов. Усредняя за период, получаем

и находим напряжения на стоковых нагрузках: и выходное напряжение дискриминатора

Определим измеряемый фазовый сдвиг между напряжением сигнала и опорным напряжением в соответствии с рис. 1.29, как т. е. в качестве входной величины фазового дискриминатора будем рассматривать дополнение угла до Тогда

откуда при малых фазовых сдвигах имеем

где коэффициент передачи фазового дискриминатора, В/рад.

Таким образом, по виду статической характеристики фазовый дискриминатор является ограниченно-линейным звеном.

Рассмотрим процессы в фазовом дискриминаторе в случае, когда его входная величина — фазовый сдвиг не остается постоянной, а изменяется во времени.

Составим схему замещения стоковых цепей дискриминатора, как показано на рис. 1.30, где внутреннее сопротивление транзистора; напряжение эквивалентного генератора. Переходя к изображениям, на основании схемы замещения получаем

где изображение постоянная времени фильтра нижних частот.

Отсюда находим изображение выходного напряжения дискриминатора

и его передаточную функцию

Таким образом, по виду динамической характеристики фазовый дискриминатор является апериодическим звеном первого порядка.

Фазовые дискриминаторы широко используются в системах фазовой автоматической подстройки частоты.

Найдем зависимость выходного напряжения фазового дискриминатора от частотного рассогласования системы автоподстройки частоты, т. е. от отклонения частоты входного сигнала от частоты опорного напряжения.

Рис. 1.31

Обозначим: угловая частота напряжения сигнала; частота опорного напряжения; отклонение частоты напряжения от частоты напряжения

Пусть к начальному моменту времени рассогласование в системе как по частоте, так и по фазе отсутствовало, т.е. при а в момент времени частота сигнала начала изменяться и возникло частотное рассогласование при т. е. Для

Представим напряжения как это принято в электротехнике, в виде векторов, вращающихся со скоростью (рис. 1.31). Тогда скорость вращения вектора относительно вектора с одной стороны, как следует из рис. 1.31, равна а с другой — Таким образом, откуда, интегрируя, получаем

Следовательно, фазовый сдвиг между двумя гармоническими колебаниями пропорционален интегралу по времени от разности частот этих колебаний. Поэтому, если в качестве входной величины фазового дискриминатора рассматривать не фазовый сдвиг, а разность частот напряжения сигнала и опорного напряжения то фазовый дискриминатор представляет собой интегрирующий частотный дискриминатор

Найдем передаточную функцию дискриминатора для этого случая. На основании (1.82) и (1.81) имеем

откуда

т. е. фазовый дискриминатор, используемый как частотный дискриминатор системы фазовой автоподстройки частоты, является инерционным интегрирующим звеном.