Компаратор фазы

Существует множество фазочувствительных схем, которые применяются в различных областях электроники. Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) применяется в приемниках радиосигналов для получения информации из частотно-модули­рованного сигнала, в телевидении для синхрони­зации изображения. В устройствах хранения ин­формации, находящейся на дисках или лентах, ФАПЧ управляет скоростью считывания данных в соответствии с изменяющейся скоростью переме­щения магнитного или лазерного носителя. Ком­паратор фазы, о котором идет речь в этой статье, служит для определения того, находятся ли вход­ные сигналы в фазе или в противофазе.

Фазочувствительные схемы. Введение

В измерительной технике фазочувствитель­ные схемы участвуют в формировании интервалов времени, измерении фазовых параметров тран­сформаторов, фильтров, усилителей. Фазочув­ствительные схемы находят широкое применение в системах управления, работающих в условиях высокого уровня помех. В системах автоматиче­ского регулирования для повышения точности и помехозащищенности применяются датчики с представлением измеряемого значения в виде фазы. Такой датчик, естественно, работает совме­стно с фазочувствительной схемой.

Работа фазочувствительной схемы основана на сравнении двух сигналов, один из них входной изменяющийся, подвергающийся исследованию, а второй опорный, относительно которого произ­водится измерение отклонения фазы входного сигнала.

Важное требование, предъявляемое к фазочув­ствительной схеме, — это минимальное искажение входного сигнала. В большинстве устройств, для снижения влияния на входной сигнал, опорный сигнал должен быть от него гальванически развя­зан. Например, если проводится анализ разности фаз между двумя обмотками трансформатора, обеспечивающего гальваническую развязку, то важно не потерять эту развязку при подключении фазочувствительной схемы.

Выходной сигнал фазочувствительной схемы содержит информацию о разности фаз анализиру­емого и опорного сигналов. Под разностью фаз понимают временной интервал между соответ­ствующими элементами периодических сигналов с одинаковыми или близкими частотами (рис.1). На этом рисунке входной сигнал запаздывает по сравнения с опорным сигналом.

Рис. 1

На рис.2 показа­ны импульсные сигналы, причем входной сигнал опережает опорный сигнал.

Рис. 2

Фазу удобно отсчитывать от момента прохож­дения через нулевое значение первого колебания и до соответствующего элемента второго колеба­ния. У сигналов с частотной и фазовой модуляци­ей следует говорить о мгновенном сдвиге фаз на данном отрезке времени.

Разность фаз можно отсчитывать во временных или угловых единицах. При описании аналоговых сигналов употребляют угловые единицы, для опи­сания разности фаз цифровых сигналов использу­ют временные единицы. На рис.3 показаны вход­ной и опорный сигналы, находящиеся в фазе, а на рис.4 — в противофазе.

Рис. 3

Если соответствующие элементы (минимумы и максимумы) двух сигналов полностью совпадают друг с другом, то такие сигналы принято называть синфазными (находящимися в фазе). Они показа­ны на рис.3. Если минимумы одного сигнала сов­падают с максимумами другого сигнала, говорят, что сигналы находятся в противофазе (противо-фазны), что показано на рис.4.

Рис. 4

Для определения, находятся ли в фазе или в противофазе два совпадающих по частоте сигна­ла, используется компаратор фазы, на выходе которого формируется логический однобитный сигнал.

Схема и работа компаратора фазы

Этот компаратор входит в состав модуля обра­ботки сигнала тахогенератора с полым немагнит­ным ротором AT-503. Этот модуль использует для своей работы свойство тахогенератора менять фа­зу выходного сигнала относительно фазы напря­жения, питающего обмотку возбуждения тахогене­ратора при смене направления вращения. При одном направлении вращения фазы напряжения на обмотке возбуждения и выходной обмотке совпадают, при другом направлении вращения фа­зы противоположны. Напряжение на обмотке воз­буждения используется как опорный сигнал. Ком­паратор фазы рассчитан на работу с сигналами частотой до 500 Гц.

Схема компаратора фазы показана на рис.5. Он состоит из двух похожих схем детекторов нуля на микросхемах DA2 и DA4, один детектор обра­батывает опорный сигнал, другой — входной сиг­нал. Схемы детекторов нуля гальванически не свя­заны друг с другом. Опорный сигнал поступает на контакты VOZ и VOZ2. Напряжение опорного сиг­нала может быть величиной от 30 до 130 В и мо­жет меняться в широких пределах во время рабо­ты компаратора фазы без ухудшения параметров работы схемы.

Рис. 5

Делитель напряжения R1R2 снижает опорное напряжение в 2 раза. На микросхеме DA2, конден­саторе С1, резисторах R3-R8 и диодах VD1 и VD2 собран детектор нуля, обрабатывающий опорный сигнал. Преобразователь напряжения DA1 обеспе­чивает гальваническую развязку детектора нуля DA2 по питанию и дополнительную стабилизацию напряжения питания. Выход микросхемы DA2 управляет работой светодиода оптореле, а режим работы светодиода задан стабилизатором тока VD3. Применение стабилизатора тока в цепи пи­тания светодиода позволяет сократить шумы, вносимые в сигнал при смене состояния опторе­ле, и, тем самым, снизить количество ненужных импульсов с выхода компаратора фазы при сме­не фазы входного сигнала.

Входной сигнал уровнем от милливольт до 30 В с выхода тахогенератора поступает на контакты DA TH1 и DA TH2 и далее через делитель R9R10 на вход операционного усилителя DA4. Усиленный сигнал поступает на второй детектор нуля через конден­сатор С10. Нагрузкой микросхемы DA5 второго де­тектора нуля является резистор R19. С выходов оптореле и микросхемы DA5 поступают логические сигналы на входы элемента сложения по модулю два DD1. В зависимости от соотношения сигналов на входах компаратора фазы на выходе, на контак­те F будет уровень лог. «1» или лог. «0».

Сигналы, поступающие на входы компаратора фазы, никогда не совпадают идеально друг с дру­гом по фазе, а также не могут иметь точный сдвиг 180°. Небольшие отклонения от состояний «в фа­зе» и «в противофазе» будут создавать очень ко­роткие импульсы на выходе компаратора фазы вместо статических сигналов лог. «1» или лог. «0». Для ликвидации этого недостатка к выходу эле­мента DD1 подключен конденсатор С12, благода­ря которому импульсы сглаживаются.

Напряжение питания схемы +5 В. Для снижения помех по питанию в схему введены конденсаторы С2-С9.

Конструкция и детали

Типы и номиналы деталей компаратора фазы приведены в таблице.

Вместо дефицитного диода-ограничителя тока Е-153 можно применить резистор 510 Ом.

При необходимости использовать компаратор фазы с опорным сигналом другого напряжения следует пересмотреть делитель напряжения, со­стоящий из резисторов R1 и R2.

Автор: Платон Денисов, г. Симферополь