ФАЗОВЫЙ ДИСКРИМИНАТОР
PHASE DISCRIMINATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть также использовано в дискретных системах автоматики для получения информации о знаке и величине разности фаз двух импульсных колебаний близких частот. Наибольшее применение изобретение может найти в системах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве определителя фазового рассогласования опорного и подстраиваемого колебаний.
Существуют дискриминаторы, формирующие информацию о знаке либо величине (модуле) фазового рассогласования колебаний, а также информацию об обоих этих параметрах одновременно. В качестве знаковых дискриминаторов импульсных колебаний с уровнями цифровой логики можно использовать D-триггер, срабатывающий по перепаду опорного колебания на С-входе, на D-вход которого подается анализируемое колебание, или дискриминатор [1], выполненный на логических элементах. Цифровые дискриминаторы, вырабатывающие информацию о величине фазового рассогласования двух импульсных колебаний, выполняются на асинхронном RS-триггере [2], схеме неравнозначности (сумматоре по модулю 2) [3]. Модульные дискриминаторы как правило формируют информацию только о величине разности фаз, но не отражают информации о ее знаке.
К дискриминаторам, формирующим информацию о знаке и величине разности фаз импульсных колебаний, можно отнести цифровые фазовые дискриминаторы [4, 5]. Эти дискриминаторы вырабатывает информацию как о знаке (на знаковых выходах), так и величине фазового рассогласования колебаний (на модульных (пропорциональных) выходах). Причем сигналы на пропорциональных выходах таких дискриминаторов содержат информацию как о величине, так и знаке измеряемой разности фаз. Значение величины разности фаз определяется длительностью импульсов, формируемых на пропорциональных выходах дискриминатора, а знак определяется тем, на каком из двух пропорциональных выходов эти импульсы появляются.
Дискриминатор, описанный в [5], имеет модульные выходы с регулируемой зоной нечувствительности. В нем при больших значениях фазового рассогласования колебаний информация формируется как на знаковых, так и на пропорциональных выходах дискриминатора. При малом значении разности фаз за счет влияния зоны нечувствительности происходит автоматический запрет выдачи информации с пропорциональных выходов дискриминатора. При этом напряжение на знаковых выходах продолжает отражать значение знака разности фаз. Дискриминатор [5], имеющий зону нечувствительности в формировании пропорциональных величин фазового рассогласования сигналов, выбран в качестве прототипа.
При применении дискриминатора с зоной нечувствительности в системе ФАПЧ, контур регулирования которой одновременно использует информацию как со знаковых, так и пропорциональных выходов фазового дискриминатора, возникает погрешность в оценке величины разности фаз Δφ.
Причины возникновения погрешности заключаются в следующем.
При больших значениях измеряемой разности фаз дискриминатор вырабатывает сигналы как на знаковых, так и на пропорциональных своих выходах. При этом если знак Δφ не меняется, а изменяется только величина разности фаз, изменение длительности импульсов, отражающих величину Δφ, на пропорциональных выходах дискриминатора происходит, а напряжение, формируемое на знаковых выходах, остается неизменным. При одновременном использовании напряжений с знаковых и пропорциональных выходов дискриминатора вклад напряжения знаковых выходов в совокупный сигнал, отражающий величину разности фаз, можно скомпенсировать только для определенного значения Δφ, за счет введения конкретного значения зоны нечувствительности в характеристику пропорциональных каналов. Если же после этого значение разности фаз изменится, то совокупный сигнал уже не будет точно отражать реальное значение Δφ.
ЗН
Кроме того, с целью обеспечения широкой полосы захвата системы ФАПЧ, в которой используется дискриминатор [5], воздействие, формируемое в контуре регулирования на основе сигналов с пропорциональных выходов, делается более интенсивным, нежели воздействие, формируемое на основе сигналов с знаковых выходов. По мере уменьшения величины фазового рассогласования анализируемых дискриминатором колебаний влияние сигналов с пропорциональных выходов уменьшается, поскольку уменьшается длительность импульсов, несущих информацию о величине разности фаз. Когда Δφ достигает значения, определяемого зоной нечувствительности Δφ пропорционального канала фазового дискриминатора, модульные выходы дискриминатора отключаются, то есть информация с них не выдается. Дальнейшее управление в системе ФАПЧ осуществляется только под действием сигналов, формируемых на знаковых выходах. Влияние сигналов с знаковых выходов с целью получения малой установившейся фазовой ошибки стараются делать существенно меньшим влияния сигналов с пропорциональных выходов. Это обеспечивается передачей сигналов с знаковых выходов через звено с коэффициентом передачи, существенно меньшим единицы [6].
ЗН
Допустим, что в момент достижения разностью фаз Δφ значения границы зоны нечувствительности (|Δφ|=|Δφ|) в системе ФАПЧ частотная расстройка становится равной кулю. Если фильтрующее звено системы ФАПЧ не имеет астатизма, то дальнейшей подстройки фазы до значения Δφ→0 не происходит, так как напряжение на выходе фильтрующего звена при неизменном значении знака разности фаз не меняется. Последнее вызвано тем, что сигнал на пропорциональном выходе отсутствует, а напряжение, отражающее знак Δφ, постоянно.
ЗН
ЗН
ЗН
ЗН
ЗН
ЗН
Если фильтр, применяемый в системе ФАПЧ, имеет астатизм, то даже при полной компенсации частотной расстройки между анализируемыми колебаниями к моменту, когда |Δφ|=|Δφ|, дальнейшая подстройка фазы от |Δφ|=|Δφ| до Δφ=0 вызовет формирование в системе дополнительной частотной расстройки. Последующая компенсация сформированной частотной расстройки за счет действия сигналов знаковых выходов дискриминатора может привести к тому, что разность фаз Δφ может выйти за пределы [-Δφ, Δφ] зоны нечувствительности. Увеличение |Δφ|>|Δφ| приведет к разрешению работы пропорциональных выходов. Воздействие со стороны пропорциональных выходов вновь компенсирует частотную расстройку при |Δφ|=|Δφ| до нуля. Далее процесс может принять циклический характер, не приводящий к уменьшению фазовой ошибки Δφ до значения, стремящегося к 0. То есть дополнительным недостатком дискриминатора [5] является то, что запрет и разрешение работы пропорциональных выходов происходит при одном и том же значении разности фаз.
ЗН
Таким образом, недостатком прототипа является то, что в нем при больших значениях измеряемой разности фаз реализуется одновременная выдача информации как на пропорциональных, так и на знаковых выходах дискриминатора. Это приводит к появлению ошибки в оценке величины Δφ. Кроме того, отключение и подключение пропорциональных выходов происходит при одном и том же значении |Δφ|=Δφ, что при использовании дискриминатора в контуре регулирования может быть причиной возникновения колебательных процессов.
Сущность изобретения состоит в следующем.
ЗН
ЗН
ЗН
ЗН
1
ЗН
2
ЗН
1
ЗН
2
ЗН
2
ЗН
1
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Для повышения точности оценки разности фаз при одновременном использовании знаковых и пропорциональных выходов дискриминатора предлагается при |Δφ|>|Δφ| разрешать работу только пропорциональных выходов дискриминатора (знаковые выходы при этом должны быть отключены), а при |Δφ|≤|Δφ| отключать пропорциональные выходы и подключать знаковые выходы. Также, для того чтобы в процессе удержания фазы контуром регулирования (контуром ФАПЧ) вблизи |Δφ| не было включения пропорциональных выходов, в характеристику переключения выходов дискриминатора необходимо ввести гистерезис, который обеспечивал бы отключение пропорциональных выходов при |Δφ|<|Δφ_|, а их повторное подключение при |Δφ|=|Δφ_|, причем |Δφ_|<|Δφ_|. Гистерезис характеристик пропорциональных выходов показан на фиг.1, где
- характеристика сигнала, формируемого на пропорциональном выходе, при положительной разности фаз (фиг.1, а) и
- характеристика сигнала, формируемого на пропорциональном выходе, при отрицательной разности фаз (фиг.1, б). Активные уровни выходных сигналов дискриминатора соответствуют уровню логического пуля. Отключенное состояние пропорциональных выходов соответствует установке на них уровней логической единицы. Ширину гистерезиса |Δφ_-Δφ_| можно выбрать в соответствии с параметрами системы ФАПЧ, в которой фазовый дискриминатор применяется.
ЗН
1
Одновременное использование пропорциональных и знаковых выходов дискриминатора с описанными выше свойствами в контуре ФАПЧ позволяет за счет влияния сигналов с пропорциональных выходов дискриминатора уменьшить величину Δφ до значения |Δφ|<|Δφ_|, а дальнейшую подстройку выполнить с использованием сигналов с знаковых выходов дискриминатора. Применение в процессе подстройки сигналов только со знаковых выходов в состоянии привести к полной отработке имеющегося фазового рассогласования до значения Δφ, стремящегося к 0 [6].
Целью изобретения является:
1) повышение точности оценки дискриминатором разности фаз при комплексном использовании знаковых и модульных выходов дискриминатора;
2) исключение ситуации, при которой разрешение и запрет выдачи информации с пропорциональных выходов дискриминатора выполняется при одном и том же значении разности фаз.
Указанные цели достигаются усовершенствованием изобретения по авторскому свидетельству №1568207 [5] путем введения в его схему двух дополнительных формирователей импульсов, четырех дополнительных схем И-НЕ, дополнительного триггера и соответствующих дополнительных связей.
Рассмотрим структуру и принцип функционирования предлагаемого устройства. На фиг.2 приведена электрическая схема предлагаемого фазового дискриминатора, а на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие его работу при Δφ>0.
Фазовый дискриминатор, показанный на фиг.2, содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И-НЕ 1-5, первый и второй триггеры 6 и 7, первый и второй элементы задержки 8 и 9, инвертор 10, дифференцирующую цепочку 11, формирователь импульсов 12, первый, второй, третий и четвертый дополнительные элементы И-НЕ 13-16, дополнительный триггер 17, первый и второй дополнительные формирователи импульсов 18 и 19.
Фазовый дискриминатор работает следующим образом.
A
Б
н
А
Б
А
Б
А
Б
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mi>Z</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mi>Z</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mi>Z</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>x</mi><mi>Z</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mi>Z</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
На вход первого элемента И-НЕ 1 поступает импульсный сигнал x (фиг.3, а), а на вход первого элемента задержки 8 поступает второй импульсный сигнал х (фиг.3, б), используемый в качестве опорного сигнала. Оба этих сигнала имеют одинаковые частоты. С выхода первого элемента задержки 8 сигнал х (фиг.3, в) подается на второй вход первого элемента И-НЕ 1 и вход второго элемента задержки 9. Выход первого элемента И-НЕ 1 подключается к S-входу первого триггера 6, а R-вход триггера подключается ко входу первого элемента задержки 8 и первым входам второго 2 и третьего 3 элементов И-НЕ. Вторые входы элементов 2 и 3 подключены в прямому и инверсному выходам триггера 6 соответственно. Третьи входы элементов И-НЕ 2 и 3 подключены к выходу второго элемента задержки 9. Выход второго элемента И-НЕ 2 подключен в S-входу второго триггера 7, а выход третьего элемента И-НЕ 3 к R-входу второго триггера. На прямом выходе второго триггера 7 формируется сигнал
(сигнал на инверсном выходе
), если передний фронт импульсов сигнала х опережает передний фронт импульсов сигнала х. Когда передний фронт импульсов сигнала х отстает от переднего фронта импульсов сигнала х, на инверсном выходе второго триггера 7 формируется сигнал
. На Фиг.3 представлен случай, когда передний фронт импульсов сигнала х опережает передний фронт импульсов х. В этом случае имеет место фазовое рассогласование одного знака, отображаемое на прямом выходе второго триггера как
(фиг.3, с).
А
н
В
Ф
А
Б
В
дц
В
В
дц
ф1
1
дц
ф2
ф3
2
3
2
ф2
ф2
ф3
1
2
3
На выходе первого элемента И-НЕ 1 при одновременном взаимодействии сигналов х и х формируется последовательность импульсов х (фиг.3, г) с уровнем логического нуля, длительность которых τ пропорциональна величине фазового рассогласования Δφ импульсов х и х. Сигнал х с выхода первого элемента И-НЕ 1 подается на входы инвертора 10 и дифференцирующей цепочки 11. На выходе дифференцирующей цепочки формируются короткие импульсы х (фиг.3, ж), являющиеся реакцией на перепады из 1 в 0 импульсного колебания х. Импульсы формируются в начале каждого из импульсов х. Но основе импульсов х схемой первого формирователя импульсов 12 вырабатываются импульсы х (фиг.3, з) с уровнем логического нуля длительностью τ. Также на основе импульсов х с помощью первого 18 и второго 19 дополнительных формирователей импульсов вырабатываются импульсы х (фиг.3, и) и х (фиг.3, к) с длительностями τ и τ соответственно. Длительность τ импульсов х определяет величину зоны нечувствительности модульной характеристики дискриминатора. Импульсы х имеют уровень логической единицы, а импульсы х - уровень логического нуля. Длительности импульсов, вырабатываемых формирователями, соотносятся следующим образом: τ<τ<τ.
м
В
А
Б
Сигнал х (фиг.3, д), полученный путем инвертирования сигнала х, подается на первые входы четвертого 4 и пятого 5 элементов И-НЕ. Вторые входы четвертого и пятого элементов И-НЕ подключены к прямому и инверсному выходам второго триггера 7, формирующего информацию о знаке фазового рассогласования импульсов х и х). Третьи входы элементов И-НЕ 4 и 5 подключены к выходу первого формирователя импульсов 12.
д3
Ф
В
1
Ф
2
д4
Ф
м
В
3
ф3
д4
П
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Входы первого дополнительного элемента И-НЕ 13 подключены к выходам первого элемента И-НЕ 1 и первого дополнительного формирователя импульсов 18. На выходе элемента И-НЕ 13 формируется импульс х (фиг.3, л) с уровнем логического нуля, когда для длительности τ импульсов хвыполняется условие τ<τ<τ. Это соответствует тому, что длительность импульсов не превышает ширину зоны гистерезиса. Входы второго дополнительного элемента И-НЕ 14 подключены к выходам инвертора 10 и второго дополнительного формирователя импульсов 19. На выходе элемента И-НЕ 14 формируются импульсы х (фиг.3, м) с уровнем логического нуля, когда длительность τ импульсов х (фиг.3, д), являющихся инверсией импульсов х(фиг.3, г), превышает длительность τ импульсов х, вырабатываемых вторым дополнительным формирователем импульсов 19. Импульсы х переключают дополнительный триггер 17 в состояние, при котором на его инверсном выходе устанавливается сигнал х (фиг.3, н) с уровнем логической единицы. Это разрешает формирование сигналов на выходах
(фиг.3, п)
(фиг.3, р) четвертого 4 и пятого 5 элементов И-НЕ, являющихся модульными выходами фазового дискриминатора.
д3
1
Ф
2
З
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mrow><mi>z</mi><mi>n</mi></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mrow><mi>z</mi><mi>n</mi></mrow><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Импульсы Х (фиг.3, л), формируемые в случае выполнения условия τ<τ<τ, переключают дополнительный триггер 17 в состояние, при котором на его прямом выходе устанавливается сигнал х (фиг.3, о) с уровнем логической единицы. Данный сигнал разрешает работу третьего 15 и четвертого 16 дополнительных элементов И-НЕ, выходы которых являются знаковыми выходами дискриминатора. На них формируются сигналы
(фиг.3, с) и
(фиг.3, т). Активные значения сигналов соответствуют уровням логического нуля.
Временные диаграммы, поясняющие работу фазового дискриминатора при отрицательных фазовых рассогласованиях (Δφ<0), представлены на фиг.4. Одноименные процессы на фиг.3 и 4 обозначены одинаковыми буквами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.с. 1279047 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков. №3909009/24-09; заявлено 30.04.85; опубл. 23.12.86 в БИ №47.
2. Цифровые системы фазовой синхронизации / Под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980. - 208 с.
3. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. - М.: Радио и связь, 1982. - 128 с.
4. А.с. 1432724 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4212180/24-09; заявлено 19.03.87; опубл. 23.10.88 в БИ №39.
5. А.с. 1568207 СССР, МКИ H03D 13/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов. №4374505; заявлено 05.02.88; опубл. 30.05.90 в БИ №20.
6. Холопов С.И. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2011. №4 (выпуск 38). С.50-54.