Цифровой фазовый детектор

В аналоговых схемах наилучшими характеристиками обладают фазовые детекторы, построенные на основе умножителя. Составим таблицу истинности умножителя, сигнал на входе и выходе которого может принимать только два значения — единицу и минус единицу. Использование таких значений позволяет интерпретировать сигнал на входе умножителя как знак аналогового сигнала. Полученная таблица истинности умножителя знаков приведена в таблице 12.1.

Таблица 12.1 – Таблица истинности умножителя знаков

Если теперь символ "–1" обозначить как "0", то мы увидим, что полученная таблица истинности совпадает с инвертированной таблицей истинности логического элемента "исключающее ИЛИ". Для сравнения в таблице 12.2 приведена таблица истинности логического элемента "исключающее ИЛИ".

Таблица 12.2– Таблица истинности элемента "исключающее ИЛИ"

Инверсия выходного сигнала в нашем случае не имеет принципиального значения. В случае необходимости мы всегда можем использовать дополнительный инвертор или изменить схему включения регулировочного элемента в генераторе управляемом напряжением. Это означает, что логический элемент "исключающее ИЛИ" вполне может быть использован в качестве фазового детектора. Схема цифрового фазового детектора приведена на рисунке 12.5.

Рисунок 12.5 – Схема цифрового фазового детектора

Для проверки рассмотрим три варианта сигналов, поступающих на вход фазового детектора, построенного на основе схемы "исключающего ИЛИ". В первом варианте сигналы на входах фазового детектора полностью синфазны. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента "исключающее ИЛИ" приведены на рисунке 12.6.

Рисунок 12.6 – Временные диаграммы синфазных сигналов

Анализируя эти сигналы можно сделать вывод, что при синфазных напряжениях на входах фазового детектора, построенного на логическом элементе "исключающее ИЛИ" на выходе присутствует нулевое напряжение.

Теперь подадим на входы фазового детектора сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 15°. Временные диаграммы сигналов с таким сдвигом фазы на входе и выходе логического элемента "исключающее ИЛИ" приведены на рисунке 12.7.

Рисунок 12.7 – Временные диаграммы сигналов, сдвинутых по фазе на 15°

В этом случае на выходе логического элемента "исключающее ИЛИ" появляются импульсы с частотой, равной частоте входных сигналов. Длительность формируемых импульсов пропорциональна сдвигу фаз входных сигналов. Если проинтегрировать этот сигнал, то можно получить напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу между входными сигналами.

Подадим на входы фазового детектора сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 165°. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента "исключающее ИЛИ" приведены на рисунке 12.8.

Рисунок 12.8 – Временные диаграммы сигналов, сдвинутых по фазе на 165°

Как и ожидалось, скважность сигнала на выходе фазового детектора изменилась. Теперь напряжение на выходе сглаживающей RC цепочки близко к напряжению питания. Можно построить зависимость напряжения на выходе схемы детектора от сдвига фаз на ее входе. Эта зависимость приведена на рисунке 12.9.

Рисунок 12.9 – Зависимость напряжения на выходе фазового детектора

от сдвига фаз входных колебаний

Анализируя эту зависимость можно сделать вывод, что фазовый детектор, построенный на основе логического элемента "исключающее ИЛИ" обладает прекрасной линейностью преобразования разность фаз — напряжение и вполне может заменить аналоговый фазовый детектор.