Импульсный частотно-фазовый детектор

 

Использование: радиотехника, синтезаторы частоты системы автоматического регулирования. Сущность изобретения: импульсный частотно-фазовый детектор содержит D - триггеры 1, 2, 3, 4, 5, 6, элемент И - НЕ 7 и генераторы тока 8, 9, 10, 11. В устройстве обеспечивается расширение диапазона фазового детектирования благодаря тому, в частности, что в момент достижения разности фаз входных сигналов по модулю, равному 2, включается дополнительный генератор тока и на выходе устройства поддерживается ток, соответствующий этой разнице фаз. 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для частотно-фазового детектирования в технике синтеза частот и системах автоматического регулирования.

Известен импульсный частотно-фазовый детектор, содержащий первый, второй, третий и четвертый L-триггеры, при этом управляющие первого и третьего, второго и четвертого F-триггеров соединены попарно и являются входами детектора, неинвертирующие выходы первого и второго D-триггеров подключены к информационным входам третьего и четвертого F-триггеров соответственно и ко входам логического элемента И, выход которого подключен к R-входам первого и второго F-триггеров, на информационные входы которых подается уровень "лог. 1", первый и второй двухвходовые логические элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с неинвертирующими выходами третьего и четвертого D-триггеров соответственно, а вторые входы соединены с неинвертирующими выходами, соответственно, первого и второго D-триггеров, первый и второй генераторы тока, подключенные на выход импульсного частотно-фазового детектора соответственно через первый и второй ключи, управляющие входы которых соединены с выходами первого и второго элемента ИЛИ соответственно.

Наиболее близким по технической сущности является импульсный частотно-фазовый детектор, содержащий первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой D-триггеры, при этом управляющие входы первого, третьего, пятого и второго, четвертого, шестого D-триггеров соединены по трое и являются входами устройства, неинвертирующие выходы первого и второго D-триггеров подключены соответственно к информационным входам третьего и четвертого D-триггеров, ко входам первого и второго логических элементов ИЛИ-НЕ и по входам логического элемента И-НЕ, выход которого подключен к R-входам первого и второго D-триггеров, на информационные входы которых подан уровень "лог. 1", неинвертирующие выходы третьего и четвертого D-триггеров соединены соответственно со вторыми входами первого и второго логических элементов ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены соответственно к информационным входам пятого и шестого D-триггеров, первый, второй, третий и четвертый генераторы тока, управляющие входы которых соединены с выходами первого и второго элементов ИЛИ-НЕ неинвертирующими выходами пятого и шестого D-триггеров соответственно, причем токовые выходы первого и второго, третьего и четвертого генераторов тока соединены попарно и подключены соответственно к первому и второму входам интегратора, выход которого является выходом устройства.

Недостатком описанных импульсных частотно-фазовых детекторов является ограниченный (от минус 2π до 2π ), диапазон фазового детектирования, что ведет, например, при использовании в технике синтеза частот, к нежелательному затягиванию переходных процессов при работе детектора в частотном режиме.

Целью изобретения является расширение диапазона фазового детектирования.

Поставленная цель достигается тем, что в схему импульсного частотно-фазового детектора дополнительно введены D-триггеры, генераторы тока, при этом при достижении разности фаз входных сигналов значения кратного 2π по модулю к выходу детектора подключается один из дополнительных генераторов тока, поддерживающего на его выходе значение тока соответствующее разности фаз кратной 2π по модулю.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема импульсного частотно-фазового детектора с диапазоном фазового детектирования 8π ; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу в режиме фазового детектирования: а) на управляющем входе D-триггера 1 (l_o(t); б) на управляющем входе D-триггера 2 (l_e(t), в, г, д, е, ж, з) не неинвертирующих выходах D-триггеров 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответственно, и) выходной ток I_g на выходе частотно-фазового детектора; на фиг. 3 а)- и) приведены временные диаграммы тех же сигналов, что и на фиг. 2, только для режима частотного детектирования; на фиг. 4 приведена статическая фазовая характеристика импульсного частотно-фазового детектора с диапазоном фазового детектирования 8π ; на фиг. 5 приведена статическая фазовая характеристика импульсного частотно-фазового детектора с диапазоном фазового детектирования 12π ; на фиг. 6 приведена структурная электрическая схема импульсного частотно-фазового детектора с диапазоном фазового детектирования 12π .

Импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД) с диапазоном фазового детектирования 8π содержит первый, второй, третий и четвертый D-триггеры 1, 2, 3, 4, при этом управляющие входы D-триггеров 1 и 3, 2 и 4 соединены попарно и являются входами устройства, неинвертирующие выходы D-триггеров 1 и 2 подключены к информационным входам D-тириггеров 3 и 4 соответственно и ко входам элемента И-НЕ 7, выход которого подключен к R-входам D-тригеров 1 и 2, на информационные входы которых подан уровень "лог. 1", пятый и шестой D-триггеры 5 и 6, управляющие входы которых подключены к неинвертирующим выходам D-триггеров 3 и 4 соответственно, а R-входы к инвертирующим выходам D-триггеров 4 и 3 соответственно, при этом информационные входы триггеров 5 и 6 соединены с инвертирующими выходами соответственно D-триггеров 6 и 5, первый, второй, третий и четвертый генераторы тока (ГТ), 8, 9, 10, 11, управляющие входы которых подключены к неинвертирующим выходам D-триггеров 1, 2, 5, 6 соответственно, а токовые выходы соединены вместе и являются выходом устройства. Импульсный частотно-фазовый детектор с диапазоном фазового детектирования 12π включает в себя помимо первого, второго, третьего и четвертого D-триггеров 1, 2, 3 и 4, элемента И-НЕ первого и второго ГТ 8 и 9, изображенных на фиг. 1 и обведенных пунктиром, также пятый и шестой D-триггеры 5 и 6 и третий и четвертый ГТ 10 и 11, а кроме того, седьмой, восьмой, девятый и десятый D-триггеры 12, 13, 14 и 15 и пятый и шестой ГТ 16 и 17.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 2 приведены осциллограммы сигналов при работе детектора в режиме фазового детектирования. В исходном состоянии считаем, что разность фаз входных сигналов равна нулю при равенстве их частот. При этом на выходе D-триггеров 1и 2 присутствуют узкие импульсы в момент прихода положительного фронта на их тактовые входы, D-триггеры 3, 4, 5, 6 находятся в состоянии "лог. 0" на неинертирующем выходе Q все ГТ 8, 9, 10, 11 выключены и, следовательно, ток I_g на выходе ИЧФД равен нулю. Необходимо также отметить, что триггеры устанавливаются в состояние с "лог. 0" на выходе Q при подаче на R-вход уровня "лог. 0", а также что величина тока от ГТ 8 и 10 и равна I_o, а от ГТ 9 и 11 минус I_o.

В момент времени t₁ частота сигнала l_c(t) становится меньше частоты сигнала k_o(t) и, следовательно, на выходе Q первого D-триггера 1 будет присутствовать ШИМ сигнала, а на выходе ИЧФД такие же импульсы тока амплитудой I_o.

В момент времени t₂ сигнал l_c(t) отстал от k_o(t) на целый период, т. е. по фазе на 2π . Срабатывает третий D-триггер 3 и переходит в состояние "лог. 1" на выходе Q, при этом пятый D-триггер переходит в состояние "лог. 1" на выходе Q включается третий ГТ10, сохраняя таким образом на выходе ИЧФД максимальный средний ток от первого ГТ 8, соответствующий разности фаз 2π и равный I_o. В момент времени t₃ постоянная составляющая точка на выходе ИЧФД достигает значения 2I_o, но так как разность фаз дошла до 4π , он опять спадает до I_o. В момент времени t₄ частота l_c(t) и теперь ШИМ сигнал присутствует на выходе Q второго D-триггера 2. Ig начинает убывать, также второй ГТ 9 формирует ШИМ импульсы тока с амплитудой минус I_o. В момент времени t₅ сигнал l_c(t) догоняет по фазе 2π сигнал lo(t), срабатывает четвертый F-триггер 4, но так как на D-входе шестого D-триггера 6 присутствует "лог. 0", его состояние не изменяется, а пятый D-триггер 5 по R-входу переводится в состояние "лог. 0" на выходе Q, третий ГТ 10 выключается и ток на выходе ИЧФД становится равным нулю.

В момент времени t₆ теперь уже сигнал l_o(t) опережает по фазе сигнал l_o(t) на 2π , опять срабатывает четвертый D-триггер 40, но теперь на информационном входе шестого D-триггера 6 присутствует "1", и он переходит состояние с "лог. 1" на выходе Q, включается четвертый ГТ 11, сохраняя таким образом на выходе ИЧФД максимальный средний ток от второго ГТ 9, соответствующий разности фаз минус 2π и равный минус I_o. В момент времени t₇ постоянная составляющая тока на выходе ИЧФД достигает значения минус 2I_o, но так как разность фаз дошла до минус 4π он опять спадает до I_o. В момент времени t₈ опять частоте l_c(t) становится меньше l_o(t) и ШИМ сигнал появится на выходе первого D-триггера 1. В момент времени t_g сигнал l_o(t) догоняет сигнал l_c(t) на 2π , срабатывает третий D-триггнер 3, но так как на D-входе пятого D-триггера 5 присутствует "лог. 0", его состояние не изменится, а шестой D-триггер 6 по R-входу переводится в состояние "лог. 0" на выходе Q, выключается четвертый ГТ 11, и ток на выходе ИЧФД становится равным нулю.

На фиг. 2и) пунктиром показана постоянная составляющая тока на выходе ИЧФД, определяющая статическую фазовую характеристику ИЧФД, которая приведена на фиг. 4.

Из анализа статической фазовой характеристики видно, что диапазон фазового детектирования ИЧФД расширился до 8π (от минус 4π до 4π ), при этом диапазон изменения тока на выходе ИЧФД от минус 2I_o до 2 I_o, что и является целью изобретения. В то же время положительным является тот факт, что в частотном режиме работы ИЧФД средний ток на его выходе по модулю больше I_o). Это ведет к тому, что ИЧФД будет выходить из частотного режима в три раза быстрее по сравнению с прототипом (у него средний ток в частотном режиме около 0,5Io) при использовании в технике синтеза частот на основе колец ФАПЧ, а это ведет к ускорению переходных процессов.

На фиг. 3 приведены осциллограммы сигналов при работе ЧФД в частотном режиме в случае, когда частота l_c(t) больше или меньше частоты l_o(t) , более, чем в два раза.

На фиг. 3 и) видно, что постоянная составляяющая тока на выходе ИЧФД около 1,5I_o (по модулю).

Необходимо также отметить, что можно использовать ГТ 10 и 11 с генерируемым током больше, чем ток от ГТ 8 и 9. Это может быть целесообразно при разработке синтезаторов частот с повышенным быстродействием при широком диапазоне перестройки частоты.

Используя описанный принцип работы ИЧФД, можно еще более расширить диапазон фазового детектирования.

Для пояснения работы ИЧФД, изображенного на фиг. 6, вернемся к фиг. 2. Исходным выберем состояние, когда сдвиг фаз входных сигналов равен нулю при равенстве частот. При этом D-триггеры 3, 4, 5, 6, 12 и 13 находятся в состоянии "лог. 0" на неинвертирующем выходе Q D-триггеры 14 и 15 устанавливаются по R-входам также в состояние с "лог. 0" на выходе Q. При этом токи от ГТ 8, 10 и 16 равны I_o, а от ГТ 9, 11 и 17 минус I_o.

В момент времени t₃ (см. фиг. 2) сигнал l_c(t) отстает по фазе от сигнала l_o(t) на 4π . В этот момент пятый D-триггер 5 уже находится в состоянии с "лог. 1" на выходе Q, поэтому по фронту от третьего D-триггера 3, седьмой D-триггер 12 также перейдет в состояние с "лог. 1" на выходе Q, включится пятый ГТ 16, сохранив тем самым ток на выходе ЧФД равный 2I_o, соответствующий разности фаз 4π . Тоже самое произойдет в момент времени t₇ (см. фиг. 2). Только теперь по фронту от четвертого D-триггера 4 восьмой D-триггер 13 перейдет в состояние с "лог. 1" на выходе Q, включится шестой ГТ 17, сохранив тем самым ток на выходе ИЧФД равный минус 2I_o, соответствующий разности фаз минус 4π . Необходимо отметить, что для правильной работы ИЧФД важное значение приобретает последовательность включения и выключения D-триггеров 5 и 12, 6 и 13. Первым должен переходить в состояние с "лог. 1" на выходе Q из каждой пары D-триггеры 5 и 6, а в обратное состояние D-триггеры 12, 13. Последовательное включение D-триггеров 5 и 12, 6 и 13 осуществляется за счет соединения информационных входов триггеров 12 и 13 с Q-выходами триггеров 5 и 6 соответственно, а последовательное выключение D-триггеров 12 и 5, 13 и 6 осуществляется с помощью D-триггеров 14 и 15, которые приведут триггеры 5 и 6 в состояние с "лог. 0" на выходах Q только в том случае, если триггеры 12 и 13 находятся в состоянии с "лог. 0" на выходах Q.

На фиг. 5 приведена статическая фазовая характеристика ЧФД, изображенного на фиг. 6. Видно, что диапазон фазового детектирования составляет 12π (от минус 6π до 6π ) и диапазон изменения тока на выходе ЧФД составляет от минус 3I_o до I_o. При этом в частотном режиме работы ИЧФД средний ток на выходе по модулю будет больше 2Io (около 2,5Io).

Дальнейшее увеличение диапазона фазового детектирования на каждые 4π вызовет дополнительное включение в схему четырех D-триггеров и двух ГТ.

Отдельные технические реализации описанных ИЧФД могут различаться в зависимости от серий микросхем, используемых разработчиком, принципа построения ГТ.

Таким образом, используя описанный принцип увеличения диапазона фазового детектирования, имеется возможность разрабатывать фазовые детекторы, например, для применения в технике синтеза частот, обеспечивающие линейное фазовое детектирование при переключении частот на максимальную величину.

Формула изобретения

ИМПУЛЬСНЫЙ ЧАСТОТНО-ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР, содержащий первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой D-триггеры, при этом управляющие входы первого и третьего, второго и четвертого D-триггеров соединены попарно и являются входами устройства, неинвертирующие выходы первого и второго D-триггеров подключены к информационным входам третьего и четвертого D-триггеров соответственно и к входам элемента И - НЕ, выход которого подключен к R-входам первого и второго D-триггеров, информационные входы которых являются входом сигнала логической "1", а также первый, второй, третий и четвертый генераторы тока, причем управляющие входы третьего и четвертого генераторов тока соединены с неинвертирующими выходами пятого и шестого D-триггеров соответственно, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона фазового детектирования, неинвертирующий и инвертирующий выходы третьего D-триггера подключены к управляющему входу пятого и R-входу шестого D-триггеров соответственно, неинвертирующий и инвертирующий выходы четвертого D-триггера подключены к управляющему входу шестого и R-входу пятого D-триггеров соответственно, при этом инвертирующие выходы пятого и шестого D-триггеров соединены с информационными входами шестого и пятого D-триггеров соответственно, управляющие входы первого и второго генераторов тока подключены к неинвертирующим выходам первого и второго D-триггеров, а токовые выходы первого, второго, третьего и четвертого генераторов тока соединены вместе и являются выходом устройства, причем, первый, третий и второй, четвертый генераторы тока являются источниками тока противоположной полярности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6