Детектирование приращений фазы и системы фапч

ФАЗОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НА УМНОЖИТЕЛЯХ СИГНАЛОВ

Детектирование приращений фазы применяется в системах ФАПЧ для привязки частоты одного лазера к другому (по схеме рис. 8.6) [88−92]. При этом свойства системы ФАПЧ существенно зависят от типа применяемого фазового детектора.

Детектирование фазы чаще всего основывается на соотношении, аналогичном соотношению (10.7) [88−92]:

Фазовые детекторы (ФД), основанные на этом соотношении, можно назвать «ФД на умножителях сигналов». После усреднения по времени второй член стремится к нулю, поэтому выходной сигнал на выходе умножителя двух 1Дрмонических сигналов одной и той же частоты меняется, но закону косинуса от разности фаз. Поэтому для детектирования разности фаз могут применяться все те же устройства, что и для СД, с гем отличием, что в них не нужен фазосдвигающий фильтр. Фазовые детекторы, в отличие от СД, детектируют разность фаз. Если СД настраивается на разность фаз, равную нулю, и выходной сигнал СД должен быть равным амплитуде одного из входных сигналов с учетом знака, то в ФД амплитуды перемножаемых сигналов предполагаются постоянными, а выходной сигнал должен линейно зависеть от разности фаз. Зависимость, близкая к линейной, получается вблизи разности фаз, равной 90°:

Фазовые детекторы этого типа требуют высокой стабильности амплитуды входных сигналов. Также необходимо, чтобы входные сигналы были гармонической формы или имели вид прямоугольных импульсов типа «меандр».

т. е. следующих со скважностью 50%. Если скважность отличается от этой величины, будет иметь место зона нечувствительности выходного сигнала к фазе входного сигнала. Если входной сигнал ФД меняется по амплитуде, то выходной сигнал также изменится. Это порождает изменение коэффициента ООС в ФЛПЧ, что следует учесть для обеспечения устойчивости и требуемой точности при всех допустимых значениях уровня сигнала.

Фазовые детекторы этого типа формируют паразитный сигнал в случае кратных частот на их входах. Поэтому система ФАПЧ с таким ФД может осуществить ложный захват за гармонику. Для захвата следует первоначально сблизить частоту перестраиваемого лазера с частотой опорного.

Рабочий условно-линейный участок ФД ограничен небольшой областью. Такие области чередуются при изменении разности фаз, при этом чередуется и знак отношения выходного сигнала в этой величине. Поэтому при использовании такою ФД в системе ФАПЧ в образной связи чередуются ее знаки. Если быстродействия системы не хватает, то выходной сигнал ФД усредняется во времени и в среднем равен нулю. Если быстродействия достаточно для устойчивого захвата, то захват происходит независимо от знака остальной части АЧХ контура. При привязке частот двух лазеров Ду к частоте опорного генератора Р захват возможен при произвольном знаке этой разности частот, т. е. при Лу = - Р и при ДV = + Р. Достоинство такого ФД — пониженная чувствительность к шумам вне спектра сигнала. Все эти шумы после умножения на гармонический сигнал дают высокочастотные продукты, которые отфильтровываются фильтром НЧ, присутствующим на выходе ФД.

Фазовые детекторы этого типа могут быть реализованы по схемам, приведенным ранее на рис. 4.32−4.34. На рис. 12.1 показана структура для моделирования фазового детектора на основе умножения сигналов.

Рис. 12.1. Структура для моделирования фазометра на основе умножителей аналоговых сигналов в программе Уі.чБіт.

На рис. 12.2 показан результат моделирования при равенстве частот умножаемых сигналов, на рис. 12.3 — при различии частот.

Рис. 12.2. Результат определения фазы в структуре по рис. 12.1 при равенстве частот входного сигнала (разные графики соответствуют разным значениям разности фаз).

Рис. 12.3. Результат определения фазы в структуре по рис. 12.1 при отличии частот (на выходе получается разностная частота).

Как видим, действительно, при отличии частот, поступающих на такой фазометр, выходной сигнал изменяет знак, так как выходной сигнал — это фактически сигнал разностной частоты.