Компаратор фазы сигнала тахогенератора с полым немагнитным ротором

Множество фазочувствительных схем применяется в различных областях электроники. Фазовая автоподстройка частоты применяется в приемниках радиосигналов для получения информации из частотно модулированного сигнала. В устройствах хранения информации, находящейся на дисках или лентах, фазовая автоподстройка частоты управляет скоростью считывания данных в соответствии с изменяющейся скоростью перемещения магнитного или лазерного носителя. Схемы фазочувствительных выпрямителей содержат источники питания с повышенным коэффициентом полезного действия. 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 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 измеряется изменение фазы входного сигнала.

Важное требование, предъявляемое к фазочувствительной схеме, это минимальное искажение входного сигнала. Входной сигнал в большинстве случаев используется в других схемах модуля, в состав которого входит фазочувствительная схема. Для снижения влияния на входной сигнал опорный сигнал должен быть от него гальванически изолирован. Например, если проводится анализ разности фаз между двумя обмотками трансформатора, обеспечивающего гальваническую развязку сигналов, поступающих на различные обмотки, то важно не потерять гальваническую развязку при подключения 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.

Входной сигнал запаздывает по сравнения с опорным сигналом:

Входной сигнал опережает опорный сигнал:

Одними из соответствующих элементов сигналов могут быть прохождения сигнала через нулевое значение. Фаза отсчитывается от 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.

Входной и опорный сигналы находятся в фазе:

Входной и опорный сигналы находятся в противофазе:

Если соответствующие элементы двух сигналов полностью совпадают друг с другом, то такие сигналы принято называть находящимися в фазе. Если минимумы одного сигнала совпадают с максимумами другого сигнала, говорят, что сигналы находятся в противофазе.

Одним из самых простых случаев использования фазочувствительной схемы это анализ двух совпадающих по частоте сигналов, находятся они в фазе или в противофазе. Для этого разработана схема компаратора фазы, на выходе которого формируется логический сигнал несущий один бит информации.

Схема компаратора фазы

Схема входит в состав модуля обработки сигнала тахогенератора с полым немагнитным ротором. Модуль, в состав которого входит схема компаратора фазы, использует для своей работы свойство тахогенератора менять фазу выходного сигнала относительно фазы напряжения питающего обмотку возбуждения тахогенератора при смене направления вращения. Одним из типов тахогенераторов, направление вращения, которого можно определить с помощью рассматриваемой схемы это AT-503. 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:

Описание работы схемы компаратора фазы

Компаратор фазы состоит из двух похожих схем детекторов нуля на микросхемах DA2 и DA4, один детектор обрабатывает опорный сигнал, другой обрабатывает 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 вольт и может меняться в широких пределах во время работы компаратора фазы без ущерба характеристикам схемы. Делитель напряжения на резисторах R1 и R2 снижает опорное напряжение в два раза. Из конденсатора С1, микросхемы DA2, резисторов R3…R8 и диодов VD1 и VD2 собран чувствительный детектор нуля, обрабатывающий опорный сигнал. Преобразователь напряжения DA1 обеспечивает гальваническую развязку детекторов нуля 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 фронт сигнала 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 вольт с выхода тахогенератора поступает на контакты “DA TH1” и “DA TH2” и далее через делитель на резисторах R9, R10 на вход операционного усилителя DA4. Усиленный сигнал поступает на второй чувствительный 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 логическая единица или логический нуль.

Два сигнала, поступающих на вход компаратора фазы никогда не могут идеально совпадать друг с другом по фазе. Сигналы не могут иметь точный сдвиг 180 градусов. Небольшое отличие соотношения фаз, от состояний “в фазе” или “в противофазе” будет выражаться в очень коротких импульсах на выходе компаратора фазы вместо продолжительных сигналов в виде логической единицы или нуля. Для ликвидации этого ненужного явления к выходу элемента DD1 подключен конденсатор С12, благодаря которому очень короткие импульсы сглаживаются до незначительной величины. Для снижения помех по питанию в схему введены конденсаторы С2…С9. Напряжение питания схемы + 5 вольт.

Компоненты схемы компаратора

Вместо дефицитного ограничителя тока E-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 Денисов П.К., simferopol1970@gmail.com, Симферополь.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: компаратор, полезно собрать

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Прием посылки из нескольких байт через USART МК ATMEGA168
Расчет количества витков в катушке