Функциональные узлы, позволяющие изменять фазу колебаний, называют фазовращателями. В общем случае построение фазовращателей является сложной технической задачей, особенно тогда, когда фазовый угол (фазовый сдвиг) меняется дискретно, принимая некоторое множество значений в диапазоне 0°-360° (электрических градусов). Наиболее просто реализуются фазовращатели и фазовые модуляторы, когда фаза колебаний принимает только два значения - 0° и 180°. Простейшими фазовращателями являются дифференцирующие и интегрирующие RC-цепи. На рис. 2.23 приведены схема дифференцирующей цепи и исходные данные, при которых получены графики (временные диаграммы) входного и выходного сигналов. Как видно из диаграмм, выходное напряжение опережает по фазе входное напряжение на угол φ≈90°. Аналогичная информация приведена на рис. 2.24 для фазовращающей интегрирующей цепи.
Рис. 2.23. Фазовращающая дифференцирующая RC-цепь
Рис. 2.24. Фазовращающая интегрирующая RC-цепь
Как видно из рисунка, выходное напряжение отстаёт по фазе на угол ≈45° от входного напряжения. Фазовращатели на пассивных RC-цспях максимально позволяют изменять угол фазовою сдвига в пределах + 90°.
Нетрудно прийти к выводу, что получить фазовый сдвиг на 180° можно инвертированием входного сигнала. Если сигнал гармонический, то для этой цели достаточно использовать операционный усилитель, подав сигнал на его инверсный вход. Поскольку у любого операционного усилителя есть прямой и инверсный входы, то, чтобы получить на выходе сигнал, изменяющийся с фазой в 0° и 180°, необходимо коммутировать входной сигнал в требуемые моменты времени с прямого входа усилителя к его инверсному входу и обратно. Для этой цели используют аналоговые ключи, управляемые цифровым сигналом. В свою очередь управляющий цифровой сигнал должен быть синхронизирован с моментами перехода гармонического входного сигнала через ноль.
На рис. 2.25 рассмотрен пример такого фазовращателя. На аналоговый вход коммутатора DA1 подаётся синусоидальное напряжение U(t). Если на управляющем входе (цифровой вход) DA1 присутствует сигнал лог.0, то входное напряжение подаётся на прямой вход операционного усилителя DA2. Тогда фаза выходного напряжения будет совпадать с фазой входного (угол фазового сдвига равен нулю). Если же сигнал на цифровом входе ключа DA1 примет значение лог.1, то U(t) попадёт на инверсный вход усилителя и фаза выходного напряжения изменится на 180°.
Рис. 2.25. Формирователь сигналов с фазовыми признаками: схема функциональная (а); временные диаграммы его работы (б)
Из диаграмм рис. 2.25,б следует, что моменты коммутации входов операционного усилителя совпадают с моментами появления фронта и спада сигнала лог.1 на выходе D-триггера (DD1). В свою очередь, он синхронизирован импульсами, поступающими по входу синхронизации С с тем же периодом, что и период входного напряжения U(t). Конечно, диаграмма выходного напряжения несколько идеализирована, так как построена без учёта времени «срабатывания» и «отпускания» электронного ключа DA 1.
Когда переносчиком служат колебания прямоугольной формы, например напряжение импульсного (постоянного) тока, то фазовращатели можно строить полностью на цифровых микросхемах. При этом угол фазового сдвига отображается интервалом времени между фронтами двух последовательностей импульсов, следующих с равными периодами. Формирование таких последовательностей можно выполнить несколькими способами. Один из способов иллюстрируется рис. 2.26. Функциональными основными узлами являются двоичный 4-разрядный счётчик импульсов и полный арифметический сумматор двух 4-разрядных двоичных чисел (см. рис. 2.26,а). Генератор задающей частоты (D1) работает в автоколебательном режиме. Формирование импульсов начинается с момента включения напряжения питания. Согласно УГО счётчик D2 будет менять своё состояние в момент спада импульсов по входу «+1», а разрешение на счёт импульсов будет дано сигналом лог.0 по входу R. Цикл работы счётчика составляет 16 тактов, т.к. он 4-разрядный. Каждое его состояние сохраняется неизменным в течение одного такта и может быть отображено 4-разрядным двоичным числом вида
, где индекс у переменной а есть показатель степени 21 при определении весового коэффициента соответствующего разряда двоичных чисел. Кроме того, состояние счётчика можно отобразить десятичным числом, являющимся эквивалентом этого двоичного числа.
Арифметический сумматор D3 имеет две группы входов, помеченных метками A0, Al, А2, А3 и В0, Bl, В2, В3 и являющихся входами слагаемых соответственно первого и второго Выходы сумматора прямые потенциальные, т.е. активным значением выходного сигнала является уровень лог.1. Причём выходы с метками S0, SI, S2, S3 соответствуют результату сложения числа
с числом
. А цифра у метки выхода имеет тот же смысл и значение, что и индекс у переменных а1 и b1. Так что сигнал на выходе S0 соответствует самому младшему разряду, а сигнал на выходе S3 самому старшему разряду суммы. Дополнительно сумматор имеет вход сигнала «переноса» (с меткой Р0) и выход «переноса» (с меткой Р4).
Временные диаграммы, поясняющие работу схемы при значении числа В=>1001 (десятичное число 9), приведены на рис. 2.26,б.
До момента t0 на входе R счётчика был сигнал лог.1, поэтому счётчик не реагировал на импульсы от генератора и находился в состоянии «0». Начиная же с этого момента, счётчик по спаду каждого входного импульса последовательно переходи г из состояния «0» в состояния 1, 2, 3, 4... 15 (это десятичные эквиваленты двоичного числа на выходах счётчика). Цикл изменения его состояний составляет 16 тактов, после чего состояния вновь повторяются. (На диаграммах состояния в первом цикле помечены десятичными числами, являющимися в то же самое время значениями числа А).
Рис. 2.26. Функциональная схема формирователя последовательностей импульсов с регулируемым углом фазового сдвига (а), временные диаграммы (б) его работы при значении числа В=>1001
Принимая сигналы на выходах счётчика за опорные и анализируя диаграммы, можно прийти к следующим заключениям: а) сигнал на выходе S0 является инверсным сигналу на выходе а0. то есть фазовый сдвиг составляет 180°; б) сигнал на выходе S1 сдвинут по фазе относительно сигнала at также на угол 180°; в) сигнал на выходе S2 сдвинут по фазе на угол 270° относительно сигнала на выходе а2 счётчика; в) сигнал на выходе S3 арифметического сумматора сдвинут относительно сигнала а3 на угол 157,5°. Указанные углы фазового сдвига определены в соответствии с длительностями периодов изменения названных сигналов с учётом того, что период следования импульсов на указанных выходах эквивалентен 360° (электрических градусов). Если число В менять в пределах от 0 до 15 включительно, оставляя его фиксированным, то углы фазового сдвига выходных сигналов сумматора будут меняться с дискретностью соответственно: у сигнала S0 — 180°; у сигнала S1 - 90°; у сигнала S2 - 45°; у сигнала S3 - 22,5° по отношению к опорным сигналам. Из диаграмм также следует, что скважности импульсов в последовательностях, отображающих указанные сигналы, равны двум. Это, в свою очередь, позволяет достаточно просто сформировать гармонические сигналы с регулируемым дискретно углом фазового сдвига. (Достаточно выделить основную гармонику в спектре последовательностей прямоугольных импульсов.) И ещё одно замечание: обратите внимание на длительность сигнала «перенос» Р4 (см. диаграмму рис. 2.26,б). В рассмотренном примере она равна 9ΔΙ. Очевидно, что при изменении установленного числа В длительность этого сигнала будет меняться пропорционально в пределах (0...15)Δt. Таким образом, дополнительно схема рис. 2.26,а позволяет формировать периодическую последовательность прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью. Период следования импульсов равен Tциклa=16Δt=Const, где Δt есть период следования импульсов задающего генератора D1.
В основу построения селекторов сигналов с фазовыми признаками могут быть положены различные методы. Наиболее простым является метод, основанный на преобразовании угла фазового сдвига в пропорциональный временной интервал с последующим контролем этого временного интервала.
При этом для оценки угла фазового сдвига принимаемого сигнала (фаза которого может меняться) необходим опорный сигнал с неизменной фазой. Формирование опорного сигнала обычно выполняет генератор опорных колебаний. частота которого стабилизируется кварцевыми резонаторами. Обычно это генератор однополярных импульсов прямоугольной формы со скважностью, равной двум.
Если входной сигнал гармонический, то он преобразуется в сигнал прямоугольной формы с помощью усилителя-ограничителя. Естественно, что частота опорного генератора должна быть равна частоте входного сигнала, фазу которого необходимо контролировать.
Дальнейшие преобразования сводятся к формированию «коротких» импульсов по фронту (либо спаду) опорного импульса и по фронту (спаду) прямоугольного импульса входного сигнала. Затем временной интервал между этими импульсами преобразуется в длительность импульса (также прямоугольной формы) с последующим контролем этой длительности временным селектором. Поскольку в цифровых системах передачи информации число значений фазового признака ограничено и эти значения фиксированы, то предусматривают соответствующее число селекторов с фиксированной настройкой на требуемую длительность. На рис. 2.27,а приведена упрощенная функциональная схема фазового селектора с контролем углов фазового сдвига в 0° и 180° и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу. Роль усилителя-ограничителя выполняет операционный усилитель DA. Генератор опорного сигнала на схеме не показан. С помощью одновибраторов D2 и D1 формируются импульсы малой длительности по фронту опорного сигнала и принимаемого сигнала соответственно. Как видно по диаграммам, импульсы на выходе одновибратора D2 соответствуют моментам времени, кοгда вход ное напряжение Uвх становится положительным (переходит через ноль). Импульсы же на выходе D1 задают моменты начала отсчёта фазы. RS-триггер D3 преобразует временной интервал между названными импульсами в пропорциональную длительность импульса лог.1. Эта длительность будет соответствовать углу фазового сдвига колебаний Uвх относительно опорных колебаний с периодом Т. Контроль этого сдвига осуществляет временной селектор DD с фиксированной настройкой на полпериода колебаний, то есть на 180° по фазе. (Схема такого селектора аналогична схеме рис. 2.16). Таким образом, импульсы на выходе селектора DD будут возникать, если фазовый сдвиг составит τзад=Т/2 =>180°.
Выход фазового селектора, на котором возникают импульсы при угле фазового сдвига в 0°, можно получить, предусмотрев схему совпадения (элемент И) на сигналы лог.1 с выходов одновибраторов D1 и D2. В рассматриваемой схеме эту функцию выполняет одновибратор D4.
Формирование и селекцию сигналов с полярными признаками можно выполнить без особых трудностей на схемах с полупроводниковыми диодами, на операционных усилителях, либо на поляризованных реле.
Рис. 2.27. Функциональная схема (а) и временные диаграммы (б) фазового селектора с настройкой фазы на 0° и 180°
