Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 15 Общие сведения о частотных детекторах.
1. Принцип построения и функционирования частотных детекторов
2. Параметры частотных детекторов
3. Частотные амплитудные детекторы
1. Принцип построения и функционирования частотных детекторов
Частотные детекторы (ЧД) применяют в приемниках ЧМ-колебаний для преобразования высокочастотного колебания, модулированного по частоте, в напряжение, изменяющееся по закону низкочастотного модулирующего сигнала. Кроме того, ЧД широко применяют в системах автоматической подстройки частоты (АПЧ).
Процесс детектирования ЧМ-колебаний обычно проводится в два этапа. На первом частотная модуляция преобразуется в амплитудную или импульсную, а затем детектируются колебания с новой модуляцией. Преобразование ЧМ в AMпроизводится либо непосредственно, либо с помощью промежуточного преобразования ЧМ в ФМ. В соответствии с этим различают частотно-амплитудные, частотно-фазовые и частотно-импульсные детекторы.
2. Параметры частотных детекторов
Качество ЧД характеризуется в основном такими же параметрами, как и качество амплитудных детекторов: детекторной характеристикой, нелинейными искажениями, коэффициентом передачи, входным сопротивлением. Дополнительно ЧД характеризуются полосой пропускания.
Детекторная характеристика ЧД есть зависимость низкочастотного напряжения на нагрузке от частоты входного сигнала. Чтобы детектор не вносил при детектировании нелинейных искажений, детекторная характеристика должна быть линейной во всем диапазоне изменения частоты входного сигнала. Диапазон частот, в котором детекторная характеристика ЧД линейна, называется полосой пропускания ЧД.
Важным показателем ЧД является крутизна детекторной характеристики
.
Чем больше крутизна детекторной характеристики, тем больше выходной напряжения детектора, а значит, и его коэффициент передачи на одной и той же частоте (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Детекторные характеристики частотного детектора при различной крутизне
Определения остальных параметров ЧД совпадают с определениями соответствующих параметров АД. Аналогичны также требования, предъявляемые к этим параметрам.
3. Частотные амплитудные детекторы
В частотно-амплитудных детекторах ЧМ-колебании преобразуются в частотно-амплитудно-модулированиые (ЧАМ), а затем детектируются обычным АД. Наиболее просто ЧМ-колебания преобразуются в ЧАМ с помощью одиночного контура, расстроенного относительно средней частоты ЧМ-колебания, которая в приемнике обычно является промежуточной. Схема ЧД с одиночным расстроенным контуром представлена на рисунке 3.1,а.
На транзистореVTсобран УПЧ, одновременно выполняющий функции АО. Преобразование ЧМ-колебании (рисунке 3.1,б) в ЧАМ (рисунок 3.1,в) производится с помощью контура LкСк, резонансная частота f0 которого отличается от промежуточной частоты fпр на Δf (рисунок 3.1,г). Если подать на такой контур колебание, частота которого модулирована, например, по закону синуса, то огибающая напряжения на контуре будет изменяться но такому же закону, т. е. будет ЧАМ (рисунок 3.1,в). Напряжение с контура подается на АД, состоящий из диода и нагрузочной цепи RнC.Работа АД не зависит от высокой частоты, если выполняется условие
1/(RнC)<2π/(fпр-Δf)
И детектор выделяет на нагрузке огибающую ЧАМ-колебания, т. е. исходный модулирующий сигнал.
Рисунок 3.1 – Схема частотного детектора с одним расстроеным контуром (а) и диаграммы, поясняющие работу (б)
Частотный детектор с одиночным расстроенным контуром практически не находит применения, так как полоса пропускания такого детектора очень узка и детектирование сигналов с широким спектром сопровождается большими искажениями.
Повысить линейность детекторной характеристики, расширить полосу пропускания и уменьшить искажения помогает ЧД с двумя взаимно расстроенными контурами (рисунок 3.2,а). Такой детектор, называемый балансным, состоит из двух детекторов, собранных на диодахVD1иVD2.Резонансный контурLк1Ск1 имеет резонансную частоту выше промежуточной на Δf, а контур Lк2Ск2— ниже промежуточной на Δf,т. е.
.
В остальном детекторы идентичны, однако нагрузки детекторовRн1 иRн2включены встречно. Поэтому выходные напряжения отдельных детекторов на диодахVD1иVD2противоположны по знаку. В качестве выходного используется суммарное напряжение, снимаемое с обоих резисторовRн1 иRн2. В результате суммирования выходных напряжений отдельных детекторов формируется детекторная характеристика, показанная на рисунке 3.2,б. Из этого рисунка видно, что при текущей частоте сигнала, близкой к промежуточной частоте, детекторные характеристики отдельных детекторов нелинейны (на рисунке показаны штриховой линией). Однако в результате вычитания выходных напряжений отдельных детекторов общая детекторная характеристика линейна и проходит через 0 при частоте, равной промежуточной. При частоте сигнала, сильно отличающейся от промежуточной, общая детекторная характеристика имеет вид, определяемый детекторными характеристиками отдельных детекторов. Полоса пропускания рассмотренного балансного детектора примерно в 2 раза шире полосы пропускания ЧД с одиночным контуром.
Увеличение протяженности детекторной характеристики и повышение ее линейности при встречном включении нагрузок двух отдельных детекторов, составляющих общий детектор, применяется и в других видах детекторов, например в фазовых.
Рисунок 3.2 – Схема балансного частотного детектора (а) и детекторная характеристика (б)
4. Частотные фазовые детекторы
В частотно-фазовых детекторах (ЧФД) ЧМ преобразуется в пропорциональный частоте сдвиг фаз, а затем в AM. Амплитудно- модулированное колебание детектируется амплитудным детектором. Одна из возможных схем ЧФД представлена на рисунке4.1.
Как и в схеме балансного детектора, в рассматриваемой схеме на транзисторе VTвыполнен УПЧ, работающий как АО. Амплитудные детекторы выполнены на диодахVD1иVD2с цепями нагрузки соответственно Rн1C1и Rн2C2. Преобразование вида модуляции происходит в контурах. Оба контура настроены на промежуточную частоту.
Входные напряжения амплитудных детекторовUD1и UD2 определяются геометрической суммой модулей напряжений ULна дросселеLи напряженийUк’и Uк’’ на частях вторичного контура. Причем
Uк’=Uк’’= 0,5Uк2,
гдеUк2 — напряжение на вторичном контуре Lк2Ск2.
(4.1)
ДроссельLпо высокой частоте включен параллельно первичному контуру Lк1Скl. Это следует из того, что один конец дросселя подключен к первичному контуру через конденсатор связи Ссв, а другой конец через конденсатор С2 иСф, так как они имеют общую заземленную точку. Сопротивление всех упомянутых конденсаторов току высокой (промежуточной) частоты пре-небрежимо мало по сравнению с индуктивным сопротивлением дросселя. Поэтому напряжение на дросселе равно напряжению на первичном контуре и выражения (4.1) можно переписать следующим образом:
. (4.2) (7.26)
Представим уравнение (7.26) в виде векторных диаграмм, показанных на рисунке 4.2. За основу возьмем вектор напряжения на первичном контуре Uк1. Наводимая в катушке Lк2 ЭДС E2 всегда сдвинута относительно напряжения на первичном контуре на 180°. Сдвиг фазы тока во вторичном контуре зависит от мгновенного
Рисунок 2.1 – Схема частотного фазового детектора
Рисунок 2.2 – Векторные диаграммы частотно-фазового детектора
значения частоты. При резонансной частоте сопротивление вторичного контура чисто активное, и ток I2 совпадает по фазе с ЭДС Е2. Если мгновенное значение частоты ниже резонансной, сопротивление контура имеет емкостный характер, и ток I2 опережает ЭДС Е2. Если мгновенное значение частоты выше резонансной, сопротивление контура имеет индуктивный характер, и ток I2 отстает от ЭДС Е2. Таким образом, вектор тока I2 при изменениях частоты будет совершать колебания относительно вектора ЭДС Е2, причем знак и угол отклонения тока I2 от ЭДС Е2 определяется знаком и отклонением мгновенного значения частоты от резонансной.
Напряжение на вторичном контуре UK2всегда сдвинуто относительно тока I2 на 90° (угол а на рисунке 4.2,а) и, следовательно, его фаза также изменяется в соответствии с колебаниями вектора тока I2, а значит, с изменением частоты.
Из векторных диаграмм на рисунке 4.2,б—г, построенных с помощью выражений (4.2), следует, что длины векторовUD1 иUD2изменяются при изменении частоты.
При резонансной частоте f=f0 оба напряжения UD1 иUD2оказываются равными (рисунок 4.2,б) и разностное напряжение на выходе равно нулю. При частоте ниже резонансной преобладает напряжениеUD1(рисунок 4.2,в), и напряжение на выходе положительно. При частоте выше резонансной преобладает напряжение UD2(рисунок 4.2,г), и напряжение на выходе отрицательно.
Таким образом, амплитуда и знак выходного напряжения будут определяться отклонением мгновенного значения частоты входного колебания от резонансной частоты контуров и его знаком.
Недостатком рассмотренной схемы ЧД является необходимость в предварительном ограничении амплитуды напряжения, подаваемого на вход детектора, поскольку выходное напряжение ЧД зависит не только от девиации частоты входного сигнала Δf, но и от амплитуды Uт входного сигнала. Поэтому паразитная AM входного сигнала приведет к изменениям выходного сигнала ЧД, т. е. к искажениям.
В схеме, представленной на рисунке 4.3, функции амплитудного ограничения и частотного детектирования совмещены в одном устройстве. Детектор, изображенный на рисунке 4.3, называется дробным. Сравнение схемы дробного детектора со схемой детектора на связанных контурах показывает, что они отличаются включением диодов и нагрузки. ТранзисторVTв схеме дробного детектора работает в режиме линейного усиления. Векторные диаграммы, приведенные на рисунке 4.2, справедливы и для дробного детектора.
Работает дробный детектор следующим образом. Оба контура настроены на промежуточную частоту и при отсутствии частотной модуляции напряжения на входах диодных детекторов равны (UD1 =UD2)(рисунок 4.2,б). Токи диодовI0, протекающие через резистор нагрузкиR3,равны, но имеют противоположное направление. Поэтому создаваемые этими токами напряжения взаимно компенсируются, и выходное низкочастотное напряжение равно нулю. При ЧМ напряжения на входах диодных детекторов отличаются. Поэтому через один из диодов ток увеличится на ΔI, а через другой — уменьшится на столько же. Суммарное изменение низкочастотного тока, протекающего через резистор нагрузки
.
Низкочастотная составляющая тока, протекая через резистор нагрузкиR3,создает на нем падение напряжения, амплитуда и знак которого соответствуют модулирующему напряжению и его знаку. Высокочастотные составляющие токов диодных детекторов замыкаются через конденсаторы С1 и С2, имеющие для этих токов сопротивления, близкие к нулю.
Рисунок 2.3 – Схема дробного детектора
Амплитудное ограничение в дробном детекторе происходит за счет шунтирования контура входными сопротивлениями детекторов. Происходит это следующим образом. РезисторыR4и R5, являющиеся нагрузками отдельных плеч диодного детектора, зашунтированы конденсатором СЗ, имеющим большую емкость. Конденсатор СЗ заряжается низкочастотным напряжением и в виду его большой емкости напряжение на нем, а следовательно и на резисторахR4иR5,не будет реагировать на сравнительно быстрые изменения амплитуды, обусловленные паразитной AM. При таком режиме работы угол отсечки линейного детектора будет пропорционален амплитуде сигнала. Меньшим амплитудам сигнала соответствует меньший угол отсечки и соответственно большие входное сопротивление и коэффициент передачи диодного детектора. Увеличение амплитуды сигнала приводит к увеличению угла отсечки, уменьшению входного сопротивления и коэффициента передачи. Благодаря чему влияние паразитнойAMна выходное напряжение дробного ЧД значительно ослабляется.
Подробный анализ работы дробного детектора показывает, что выходное напряжение пропорционально отношению входных напряжений диодных детекторов. Этим и объясняется название — дробный детектор, или детектор отношений.