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 (fig. 1). На этом рисунке входной сигнал запаздывает по сравнения с опорным сигналом.
Figure. 1
On Fig. 2 показаны импульсные сигналы, причем входной сигнал опережает опорный сигнал.
Fig. 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 Figure 3 показаны входной и опорный сигналы, находящиеся в фазе, а на Fig. 4 – в противофазе.
Fig. 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 Figure 3. Если минимумы одного сигнала совпадают с максимумами другого сигнала, говорят, что сигналы находятся в противофазе (противо-фазны), что показано на Figure 4.
Fig. 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.
Driving and the work of the phase comparator
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.
Phase comparator circuit shown in Fig.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.
Fig. 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.
The design and details
The types and amounts of components are given in the phase comparator table.
| Capacitors ± 10% | |
| FROM 1 | 1,5 пФ 50В |
| C2-C4 | 0,68 мкФ 50В |
| C5 | 33 мкФ 50 B |
| C6 | 0,68 мкФ 50 B |
| C7-C9 | 33 мкФ 50 B |
| C10 | 0,47 мкФ 50 B |
| C11 | 1,5 пФ 50В |
| C12 | 22 мкФ 50 B |
| Resistors ± 5% | |
| R1-R3 | 10 kOhm |
| R4 | 4,3 кОм |
| R5 | 10 МОм |
| R6, R7 | 4,3 кОм |
| R8 | 4,7 МОм |
| R9 | 620 кОм |
| R10, R11 | 62 кОм |
| R12 | 22 кОм |
| R13 | 62 кОм |
| R14 | 4,3 кОм |
| R15 | 10 МОм |
| R16, R17 | 4,3 кОм |
| R18 | 4,7 МОм |
| R19 | 4,3 кОм |
| R20 | 4,7 МОм |
| Diodes and ICs | |
| DA1 | Преобразователь напряжения RNM-0505S ф. Recom |
| DA2 | Микросхема МС3302Р ф. ON Semiconductor |
| DA3 | Optorele 249KP10AR |
| DA4 | Микросхема OP213FP ф. Analog Devices |
| DA5 | Chip MS3302R |
| DD1 | Chip 1564LP5 |
| VD1, VD2 | Diode KD522B |
| VD3 | Стабилизатор тока Е-153 ф. Semitec |
| VD4, VD5 | Diode KD522B |
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.
Author: Платон Денисов, г. Симферополь