Цифровые фазовращатели с шагом сдвига фаз на 180/n градусов, где n=1,2,3…

Предложены схемы цифровых фазовращателей, имеющих разное количество ступеней и ярусов, а также их сочетаний, позволяющих последовательно сдвигать фазы на выходах устройства вне зависимости от частоты на постоянный угол 180/n градусов, где n=1, 2, 3…

Фазовращатели с дозированным сдвигом фаз довольно часто используют в цифровых и аналоговых устройствах [1–10]. Ниже будут описан принцип создания цифровых фазовращателей, позволяющих последовательно сдвигать фазы на выходах устройства на постоянный угол 180/n градусов, где n=1, 2, 3… Такие устройства, которые также можно назвать делителями фаз по аналогии с делителями частоты, способны корректно работать в широкой полосе частот входных сигналов.

Простейший и стандартный одноступенчатый цифровой фазовращатель (n = 1) со сдвигом фазы выходных сигналов на 180 градусов, выполненный на D-триггере, приведен на Рисунке 1. Частота выходных сигналов этого устройства в два раза ниже частоты входного сигнала.

Рисунок 1.	Одноступенчатый фазовращатель с шагом сдвига фаз на 180 градусов.

Следующие фазовращатели (n = 2), Рисунок 2, позволяют получить на своих выходах сигналы, сдвинутые по фазе на 90, 180, 270 градусов. Частота выходных сигналов в 4 раза ниже частоты входной.

Рисунок 2.	Двухступенчатые фазовращатели с шагом сдвига фаз на 90 градусов.

Трехступенчатые фазовращатели (n = 3) с шагом сдвига фаз на 60 градусов содержат по три D-триггера, Рисунок 3.

Рисунок 3.	Трехступенчатые фазовращатели с шагом сдвига фаз на 60 градусов.

На Рисунке 4 показаны четырехступенчатые фазовращатели с шагом сдвига фаз на 45 градусов.

Рисунок 4.	Четырехступенчатые фазовращатели с шагом сдвига фаз на 45 градусов.

Развивая далее принцип наращивания числа ступеней фазовращателя, можно привести обобщенную схему построения одного из вариантов фазовращателей с произвольным и неограниченным количеством ступеней, Рисунок 5.

Рисунок 5.	n-ступенчатый фазовращатель с шагом сдвига фаз на 180/n градусов и его условное графическое обозначение.

Основные характеристики цифровых многоступенчатых фазовращателей приведены в Таблице 1.

Таблица 1.	Характеристики цифровых многоступенчатых фазовращателей
Количество D-триггеров Количество выходов Шаг сдвига фаз, град. Частоты выходных сигналов Схема 0 0 0 FВЫХ = FВХ — 1 2 180 FВЫХ = FВХ/2 Рисунок 1 2 4 90 FВЫХ = FВХ/4 Рисунок 2 3 6 60 FВЫХ = FВХ/6 Рисунок 3 4 8 45 FВЫХ = FВХ/8 Рисунок 4 5 10 36 FВЫХ = FВХ/10 — … … … … … n 2n 180/n FВЫХ = FВХ/2n Рисунок 5

Рассмотренные выше фазовращатели состояли только из D-триггеров. На Рисунке 6 приведены варианты схем фазовращателей с коэффициентом деления фаз 3, позволяющие получить на выходах сигналы, сдвинутые на 120 градусов с перекрытием и без перекрытия фаз. Достигается это за счет использования дополнительных элементов «Исключающее ИЛИ-НЕ». Для того чтобы поменять местами выходы сигналов с перекрытием и без перекрытия фаз, Рисунок 6 (верхняя схема), достаточно заменить элементы «Исключающее ИЛИ-НЕ» на «Исключающее ИЛИ» [9].

Рисунок 6.	Фазовращатели с перекрытием и без перекрытия фаз с шагом их сдвига 120 градусов, а также их условное графическое обозначение.

Рассмотрим далее фазовращатели пирамидального построения. Такие устройства состоят из двух и более ярусов, Рисунок 7. Различные сочетания последовательного многоярусного включения делителей фаз позволяют существенно расширить возможности устройств для формирования заданного фазового сдвига.

Рисунок 7.	Двухъярусный фазовращатель из последовательного соединения фазовращателей с итоговым шагом сдвига фаз на 90 градусов.

Так, например, на Рисунках 7 и 8 приведены в качестве простейшего примера схемы фазовращателей, позволяющих получить на выходах сдвиг фаз с шагом 90 и 45 градусов, соответственно. Разумеется, такие же результаты можно получить при использовании более простых схем, Рисунки 2 и 4. Поэтому использовать фазовращатели многоярусного построения стоит в тех случаях, когда иными путями получить требуемый шаг сдвига фаз затруднительно.

Рисунок 8.	Трёхъярусный фазовращатель из последовательного соединения фазовращателей с итоговым шагом сдвига фаз на 45 градусов.

Так, например, на Рисунке 9 продемонстрирована возможность получения шага фазового сдвига 40 градусов. Достигается это за счет последовательного включения делителей фаз с коэффициентами деления 3. При добавлении третьего яруса фазового делителя с коэффициентом деления 3 шаг сдвига фаз будет равен 13.3(3) градуса.

Рисунок 9.	Двухъярусный фазовращатель из последовательного соединения фазовращателей с итоговым шагом сдвига фаз на 40 градусов.

Двухъярусный фазовращатель из последовательного соединения фазовращателей (фазовых делителей) с коэффициентами деления 4 позволяет получить итоговый шаг сдвига фаз 22.5 градусов, Рисунок 10.

Рисунок 10.	Двухъярусный фазовращатель из последовательного соединения фазовращателей с итоговым шагом сдвига фаз на 40 градусов.

На Рисунке 11 показан еще один из вариантов получения шагового сдвига фаз 60 градусов.

Рисунок 11.	Двухъярусный фазовращатель из последовательного соединения фазовращателей с итоговым шагом сдвига фаз на 22.5 градусов.

Из анализа особенностей работы рассмотренных в статье фазовращателей вытекает следствие: во сколько раз шаг фазового сдвига меньше 360 градусов, во столько же раз снижается частота на выходах устройства относительно частоты сигнала на входе. При использовании многоярусных фазовращателей минимальный сдвиг фаз можно вычислить как отношение 360/(a•b•c…z), где a, b, c … z – коэффициенты делителей фаз каждого из z ярусов устройства. Фазовращатели можно одновременно использовать в качестве делителей частоты.

Литература

1. Авраменко В.Л., Галямичев Ю.П., Ланнэ А.А. Электрические линии задержки и фазовращатели. М.: Связь, 1973. 107 с.
2. Сапельников В.М. Преобразователи фазового сдвига (принципы построения, развитие теории, исследование, разработка): автореф. дис. … д-ра техн. наук. УГАТУ. Уфа, 1997. 36 с.
3. Дубровин В.С. Фазовращатель гармонического сигнала. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. 2014. № 9–10. С. 192–195.
4. Бельский А.Я., Гусинский А.В., Сайков А.В. и др. Варианты построения фазовращателей. Доклады БГУИР. 2017. № 6 (108). С. 29–34.
5. Кочемасов В.Н., Шадский В.А. Твердотельные СВЧ-фазовращатели. Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2017. № 1 (00161). С. 86–100 (Часть 1); № 2 (00162). С. 78–90 (Часть 2).
6. Агунов А.В., Вербова Н.М., Агунов М.В. Низкочастотный фазовращатель для SSB-модулятора. Радио. 2006. № 6. С. 74.
7. Шустов М.А. Формирователь трехфазного низкочастотного сигнала для SSB-радиостанции. Радiоаматор. 2009. № 5. С. 53–54.
8. Shustov M.A. Wide-range formers of three-phase voltage and their application. Electronics World. 2010. V. 116. № 6 (1890). P. 45.
9. Шустов М.А. Цифровые фазовращатели на 0, 120, 240 градусов. Радиолюбитель. 2019. № 10. С. 39.
10. Шустов М.А. Многофазный генератор импульсов. Радиолюбитель. 2021. № 8. С. 22–23.