Фазовый детектор

или Фазовый детектор фазовый компаратор — это смеситель частот , аналоговый умножитель или логическая схема, которая генерирует сигнал, который представляет собой разность фаз между двумя входными сигналами.

Фазовый детектор является важным элементом системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Обнаружение разности фаз важно и в других приложениях, таких как управление двигателями , радиолокационные и телекоммуникационные системы, сервомеханизмы и демодуляторы .

Типы

Фазовые детекторы для схем фазовой автоподстройки частоты можно разделить на два типа. ^[1] Детектор типа I предназначен для управления аналоговыми сигналами или прямоугольными цифровыми сигналами и генерирует выходной импульс на разностной частоте. Детектор типа I всегда генерирует выходной сигнал, который необходимо отфильтровать для управления генератором с фазовой автоподстройкой частоты (ГУН). Детектор типа II чувствителен только к относительной синхронизации фронтов входного и опорного импульсов и выдает постоянный выходной сигнал, пропорциональный разности фаз, когда оба сигнала имеют одинаковую частоту. Этот выходной сигнал не будет вызывать пульсаций управляющего напряжения ГУН.

Аналоговый фазовый детектор

Фазовому детектору необходимо вычислить разность фаз двух входных сигналов. Пусть α — фаза первого входа, а β — фаза второго. Однако фактические входные сигналы фазового детектора представляют собой не α и β, а скорее синусоидальные сигналы , такие как sin(α) и cos(β). В общем, вычисление разности фаз включает в себя вычисление арксинуса и арккосинуса каждого нормализованного входного сигнала (чтобы получить постоянно увеличивающуюся фазу) и выполнение вычитания. Такой аналоговый расчет затруднителен. К счастью, расчет можно упростить, используя некоторые приближения.

Предположим, что разности фаз будут небольшими (например, намного меньше 1 радиана). Приближение малого угла для функции синуса и формула сложения углов синуса дают:

\alpha -\beta \approx \sin(\alpha -\beta )=\sin \alpha \cos \beta -\sin \beta \cos \alpha

Выражение предполагает, что квадратурный фазовый детектор можно создать путем суммирования выходных сигналов двух умножителей. Квадратурные сигналы могут быть сформированы с помощью схем фазового сдвига. Двумя распространенными реализациями умножителей являются двойной балансный диодный смеситель, диодное кольцо и четырехквадрантный умножитель, ячейка Гилберта .

Вместо использования двух множителей более распространенный фазовый детектор использует один множитель и другую тригонометрическую идентичность:

\sin \alpha \cos \beta ={\sin(\alpha -\beta ) \over 2}+{\sin(\alpha +\beta ) \over 2}\approx {\alpha -\beta  \over 2}+{\sin(\alpha +\beta ) \over 2}

Первый член обеспечивает желаемую разность фаз. Второй член представляет собой синусоиду с удвоенной опорной частотой, поэтому его можно отфильтровать. В случае сигналов общего назначения выходной сигнал фазового детектора описывается характеристикой фазового детектора .

Детектор на основе смесителя (например, двойной балансный смеситель на основе диода Шоттки ) обеспечивает «максимальные характеристики минимального фазового шума» и «чувствительность системы». поскольку он не создает импульсы конечной ширины на выходе фазового детектора. ^[2] Еще одним преимуществом ФП на основе смесителя является его относительная простота. ^[2] Как квадратурные, так и простые фазовые детекторы с умножителем имеют выходной сигнал, который зависит от входных амплитуд, а также от разности фаз. На практике входные амплитуды входных сигналов нормализуются перед подачей в детектор, чтобы устранить амплитудную зависимость.

Цифровой фазовый детектор

Фазовый детектор, подходящий для сигналов прямоугольной формы, может быть изготовлен из исключающее ИЛИ (XOR) логического элемента . Когда два сравниваемых сигнала полностью синфазны, выходной сигнал исключающего ИЛИ будет иметь постоянный нулевой уровень. Когда два сигнала отличаются по фазе на 1°, выходной сигнал исключающего ИЛИ будет высоким в течение 1/180 каждого цикла — доли цикла, в течение которой два сигнала различаются по значению. Когда сигналы различаются на 180° — то есть один сигнал имеет высокий уровень, а другой — низкий, и наоборот — выходной сигнал логического элемента XOR остается высоким на протяжении каждого цикла. Этот фазовый детектор требует, чтобы входные сигналы представляли собой симметричные прямоугольные волны или почти таковые.

Детектор XOR выгодно отличается от аналогового смесителя тем, что он фиксирует разность фаз около 90° и имеет выходную пульсовую волну с удвоенной опорной частотой. На выходе изменяется рабочий цикл пропорционально разности фаз. Применение выхода логического элемента XOR к фильтру нижних частот приводит к получению аналогового напряжения, пропорционального разности фаз между двумя сигналами. Остальные его характеристики очень похожи на аналоговый микшер по диапазону захвата, времени синхронизации, опорным паразитным сигналам и требованиям к фильтру нижних частот.

Цифровые фазовые детекторы также могут быть основаны на схеме выборки и хранения , накачке заряда или логической схеме, состоящей из триггеров . Когда в системе ФАПЧ используется фазовый детектор на основе логических вентилей, он может быстро заставить ГУН синхронизироваться с входным сигналом, даже если частота входного сигнала существенно отличается от начальной частоты ГУН. Такие фазовые детекторы также обладают другими желательными свойствами, такими как более высокая точность при небольшой разнице фаз между двумя сравниваемыми сигналами и превосходный диапазон захвата .

Детектор фазовой частоты

Детектор фазовой частоты ( PFD ) представляет собой асинхронную схему, первоначально состоящую из четырех триггеров (т. е. детекторов фазовой частоты, которые можно найти как в микросхемах RCA CD4046, так и в микросхемах Motorola MC4344, представленных в 1970-х годах). Логика определяет, какой из двух сигналов имеет переход через нуль раньше или чаще. При использовании в приложении ФАПЧ синхронизация может быть достигнута даже при отключенной частоте.

PFD улучшает диапазон срабатывания и время синхронизации по сравнению с более простыми конструкциями фазовых детекторов, такими как умножители или логические элементы исключающее ИЛИ. Эти конструкции хорошо работают, когда две входные фазы уже близки или синхронизированы, но работают плохо, когда разность фаз слишком велика. Когда разность фаз слишком велика (что происходит, когда мгновенная разность частот велика), знак коэффициента усиления контура может измениться на противоположный и начать отводить ГУН от синхронизации. Преимущество PFD заключается в том, что он выдает выходной сигнал, даже если два сравниваемых сигнала различаются не только по фазе, но и по частоте. Детектор фазовой частоты предотвращает состояние ложной синхронизации в приложениях ФАПЧ, в которых ФАПЧ синхронизируется с неправильной фазой входного сигнала или с неправильной частотой (например, гармоникой входного сигнала). ^[3]

Фазочастотный детектор релейной накачки заряда подает импульсы тока с фиксированным общим зарядом, положительным или отрицательным, на конденсатор, действующий как интегратор . Фазовый детектор для релейного зарядового насоса всегда должен иметь зону нечувствительности , в которой фазы входов достаточно близки, чтобы детектор сработал либо оба, либо ни один из зарядовых насосов, без полного эффекта. Фазовые детекторы типа «банг-банг» просты, но связаны со значительным минимальным размахом джиттера из-за дрейфа в пределах мертвой зоны.

В 1976 году было показано, что, используя конфигурацию фазочастотного детектора с тремя состояниями (с использованием только двух триггеров ) вместо исходной конфигурации с четырьмя триггерами RCA/Motorola, эту проблему можно элегантно преодолеть. ^{[ нужна ссылка ]} Для других типов фазочастотных детекторов существуют другие, хотя, возможно, и менее изящные решения проблемы мертвой зоны. ^[3] Необходимы другие решения, поскольку трехпозиционный фазочастотный детектор не работает для некоторых приложений, включающих рандомизированное ухудшение сигнала, которое можно обнаружить на входах некоторых систем регенерации сигнала (например, в схемах восстановления тактового сигнала ). ^[4]

фазовый детектор Пропорциональный использует зарядовый насос, который подает количество заряда пропорционально обнаруженной фазовой ошибке. У некоторых есть мертвые зоны, а у некоторых нет. В частности, некоторые конструкции генерируют управляющие импульсы как вверх, так и вниз, даже если разность фаз равна нулю. Эти импульсы малы, номинально имеют одинаковую длительность и заставляют накачку заряда генерировать положительные и отрицательные импульсы тока с одинаковым зарядом, когда фазы идеально согласованы. Фазовые детекторы с такой системой управления не имеют зоны нечувствительности и обычно имеют более низкий минимальный размах джиттера при использовании в системах ФАПЧ.

В приложениях ФАПЧ часто требуется знать, когда контур вышел из синхронизации. Более сложные цифровые фазочастотные детекторы обычно имеют выход, который позволяет надежно указывать состояние разблокировки.

Электронный фазовый детектор

Некоторые методы обработки сигналов, например, используемые в радарах, могут требовать как амплитуду, так и фазу сигнала, чтобы восстановить всю информацию, закодированную в этом сигнале. Один из методов заключается в подаче сигнала с ограниченной амплитудой в один порт детектора продукта и опорного сигнала в другой порт; выходной сигнал детектора будет представлять собой разность фаз между сигналами.

Оптические фазовые детекторы

В оптике фазовые детекторы также известны как интерферометры . что импульсный ( амплитудно-модулированный Говорят, ) свет измеряет фазу между несущими. Измерить задержку между огибающими двух коротких оптических импульсов можно также методом взаимной корреляции в нелинейном кристалле . И можно измерить фазу между огибающей и несущей оптического импульса , отправив импульс в нелинейный кристалл. Там спектр расширяется и по краям форма существенно зависит от фазы.

См. также

Ссылки

^ Пол Горовиц и Уинфилд Хилл, Искусство электроники, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1989 г. ISBN 0-521-37095-7 стр. 644
^ Jump up to: ^а ^б Кроуфорд 1994 , стр. 9, 19.
^ Jump up to: ^а ^б Кроуфорд 1994 , стр. 17–23, 153 и несколько других страниц.
^ Волавер 1991 , с. 211

Кроуфорд, Джеймс А. (1994), Справочник по проектированию синтезатора частоты , Artech House, ISBN 0-89006-440-7
Волавер, Дэн Х. (1991), Проектирование схемы с фазовой автоподстройкой частоты , Прентис Холл, ISBN 0-13-662743-9
Девон Фернандес и Санджив Манандхар (8 декабря 2003 г.). «Цифровая фазовая автоподстройка частоты» (PDF) . Проверено 25 апреля 2006 г.
Зилич, Желько (17 августа 2001 г.). «Управление тактовой частотой с фазовой автоподстройкой частоты и задержкой в цифровых системах» . ТехОнЛайн . Архивировано из оригинала 15 мая 2006 г. Проверено 25 апреля 2006 г.
Майк Кертин и Пол О'Брайен (июль – август 1999 г.). «Фазовая автоподстройка частоты для высокочастотных приемников и передатчиков-3» . Аналоговый диалог . Аналоговые устройства . Проверено 25 апреля 2006 г.

Дальнейшее чтение

Иган, Уильям Ф. (2000), Синтез частот с помощью фазовой синхронизации (2-е изд.), John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4

Внешние ссылки

[1] Пол Горовиц и Уинфилд Хилл, Искусство электроники, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1989 г. ISBN 0-521-37095-7 стр. 644

[Craw9-2] Jump up to: ^а ^б Кроуфорд 1994 , стр. 9, 19.

[Craw17-3] Jump up to: ^а ^б Кроуфорд 1994 , стр. 17–23, 153 и несколько других страниц.

[Wol91p211-4] Волавер 1991 , с. 211

[1]

[2]

[3]

[4]