Можно показать, что

..

Последние соотношения описывают детекторную характеристику в общем и частных случаях. При детекторная характеристика не зависит от напряжения входного сигнала, значит, не нужен амплитудный ограничитель перед детектором.

5.4.3.. Ключевой фазовый детектор

Функциональная схема ключевого фазового детектора приведена на рисунке 5.17.

Рисунок 5.17 – Функциональная схема ключевого фазового детектора

Детектор состоит из двух формирователей последовательностей прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы из синусоидальных напряжений сигнала и опорного колебания Ф, узла сложения по модулю два М₂ и нагрузки в виде параллельно соединенных резистора R_н и конденсатора С_н.

На рисунке 5.18 приведены временные диаграммы, поясняющие работу детектора.

Рисунок 5.18 – Временные диаграммы напряжений и выходного тока ключевого

фазового детектора

Из рисунка следует, что постоянная составляющая тока i определяется следующим соотношением

.

Этот ток создает падение напряжения на нагрузке

.

Последнее соотношение описывает детекторную характеристику ключевого детектора, график которой представлен на рисунке 5.19.

Рисунок 5.19 – Детекторная характеристика ключевого фазового детектора

Детекторная характеристика представляет собой периодическую функцию, период которой отображается равнобедренным треугольником с основанием .

Лекция 12. Частотные детекторы

Тема 5. Детекторы

5.5. Назначение, основные характеристики частотных детекторов.

Принципы частотного детектирования

Частотный детектор предназначен для получения выходного сигнала, повторяющего закон изменения частоты входного сигнала.

Детекторной характеристикой частотного детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от отклонения частоты входного сигнала от ее среднего значения.

На рисунке 5.26 приведены идеальная и типичная реальная детекторные характеристики. Идеальная характеристика – прямая, проходящая через начало координат – покахана пунктиром.

Рисунок 5.26 – Реальная и идаельная детекторные характеристики частотного

детектора

Параметрами частотного детектора являются крутизна и раствор детекторной характеристики.

Крутизной называется производная детекторной характеристики, определенная в начале координат

.

Раствором детекторной характеристики называется интервал частот между двумя экстремальными точками детекторной характеристики.

Рассмотрим два основных принципа построения частотных детекторов.

1.Частотный детектор реализуется с использованием преобразователя ЧМ сигнала в АЧМ сигнал, модулированный как по частоте, так и по амплитуде, и амплитудного детектора (рисунок 5.27).

Рисунок 5.27- Принцип построения частотного детектора на основе преобразования ЧМ в АЧМ

В качестве преобразователя ЧМ а АЧМ используют линейные электрические цепи, коэффициент передачи, которых зависит от частоты. Эта зависимость должна быть линейной или близкой к ней.

В качестве самого простого преобразователя ЧМ в АЧМ можно использовать одиночный колебательный контур, расстроенный относительно средней частоты ЧМ сигнала, как это показано на рисунке 5.28.

Рисунок 5.28 – Колебательный контур как преобразователь ЧМ в АЧМ

На рисунке частота сигнала изменяется во времени по синусоидальному закону с девиацией частоты в пределах левого ската АЧХ колебательного контура. Из рисунка видно, что при изменении частоты в такт с ней изменяется коэффициент передачи контура, следовательно и амплитуда сигнала, т.е. наряду с частотной появляется амплитудная модуляция.

1. Частный детектор реализуется с использованием фазосдвигающей цепи, которая вносит фазовый сдвиг, зависящий от частоты входного ЧМ сигнала, и фазового детектора (рисунок 6.26).

Рисунок 5.29 – Принцип построения частотного детектора с использованием

фазосдвигающей цепи

5.6.Варианты построения частотных детекторов

5.6.1.Балансный диодный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами

Принципиальная схема детектора приведена на рисунке 5.30. Частотный детектор состоит из двух последовательных амплитудных детекторов, на входы которых поступают сигналы с двух взаимно расстроенных контуров. Два взаимно расстроенных контура выполняют функцию преобразования ЧМ в АЧМ.

Рисунок 5.30 – Балансный диодный частотный детектор с взаимно расстроенными

контурами

Из схемы видно, что

,

где К_д – коэффициент передачи амплитудного детектора

На рисунке 5.31 приведены АЧХ контуров и детекторная характеристика частотного детектора, построенная с учетом последнего соотношения.

Рисунок 5.31 – АЧХ колебательных контуров и детекторная характеристика

частотного детектора

Крутизна детекторной характеристики зависит от параметра расстройки контуров , где - средняя частота ЧМ сигнала, - эквивалентное затухание контуров, .

При крутизна детекторной характеристики максимальна и незначительно уменьшается при увеличении параметра расстройки до значения . Дальнейшее увеличение параметра расстройки, во-первых, резко уменьшает крутизну, во-вторых, приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала из-за нелинейности рабочего участка детекторной характеристики.

5.6.2. Мультипликативный частотный детектор

Мультипликативный частотный детектор (рисунок 5.38) состоит из фазосдвигающей цепи и фазового детектора. Фазосдвигающая цепь представляет собой делитель напряжения из конденсатора C и параллельного колебательного контура, настроенного на частоту . Фазовый детектор выполнен на основе аналогового перемножителя напряжений с фильтром нижних частот на выходе.

Рисунок 5.38 – Функциональная схема мультипликативного частотного детектора

Пусть на входах перемножителя действуют напряжения

.

Тогда на его выходе получим

.

В последнем соотношении первое слагаемое представляет собой полезный продукт детектирования, а второе – побочный. Для устранения побочного продукта детектирования используется ФНЧ.

На выходе ФНЧ получим

. (5.2)

Выясним зависимость фазового сдвига от частоты входного сигнала с помощью векторных диаграмм. При построении диаграмм примем, что входные токи перемножителя на порядок меньше тока через конденсатор С и контур.

Случай 1. Частота сигнала равна резонансной частоте контура .

Начнем построение диаграммы (рисунок 5.39) с вектора выходного напряжения . На частоте, равной резонансной частоте контура, сопротивление контура носит резистивный характер, поэтому вектор тока совпадает по направлению с вектором напряжения . Ток создает падение напряжения на емкости С. Вектор отстает от вектора тока на 90 градусов. Вектор напряжения находится как геометрическая сумма векторов и по правилу параллелограмма.

Рисунок 5.39 – Векторная диаграмма напряжений и тока мультипликативного

частотного детектора при

Сопротивление контура и емкость конденсатора выбираются так, чтобы . Из векторной диаграммы видно, что . Значит, согласно (5.2) напряжение на выходе детектора положительно.

Случай 2. Частота сигнала больше резонансной частоты контура .

Векторная диаграмма для этого случая приведена на рисунке 5.40.

Рисунок 5.40 - Векторная диаграмма напряжений и тока мультипликативного

частотного детектора при

Так как на частоте выше резонансной сопротивление параллельного контура носит емкостный характер, вектор тока опережает вектор напряжения . Вектор напряжения на емкости C отстает от тока на 90 градусов. Геометрическая сумма векторов и дает вектор входного напряжения . Из рисунка видно, что . Поэтому напряжение на выходе детектора положительно и больше напряжения при .

Случай 3. Частота сигнала меньше резонансной частоты контура .

Векторная диаграмма для этого случая приведена на рисунке 6.38. Так как на частоте ниже резонансной сопротивление параллельного контура носит индуктивный характер, вектор тока отстает от вектора напряжения . Вектор напряжения на емкости C отстает от тока на 90 градусов. Геометрическая сумма векторов и дает вектор входного напряжения . Из рисунка видно, что . Поэтому напряжение на выходе детектора отрицательно.

Рисунок 5.41 - Векторная диаграмма напряжений и тока мультипликативного

частотного детектора при

Детекторная характеристика мультипликативного частотного детектора приведена на рисунке 5.42.

Рисунок 5.42 – Детекторная характеристика мультипликативного частотного

детектора

Особенностью детекторной характеристики является то, что резонансная частота параллельного колебательного контура больше средней частоты ЧМ сигнала (точка перехода через нуль). Приближение выходного напряжения детектора к нулю за пределами раствора характеристики объясняется спадом АЧХ контура при больших расстройках.

Заключение по теме 5

Важнейшей характеристикой детектора (амплитудного, частотного, фазового) является его детекторная характеристика, представляющая зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от модулируемого параметра входного немодулированного сигнала.

При амплитудной модуляции таким параметром является амплитуда синусоидального колебания, при частотной частота, а при фазовой – фазовый сдвиг относительно опорного колебания.

Идеальными детекторными характеристиками амплитудного и частотного детекторов являются линейные характеристики.

Идеальной детекторной характеристикой фазового детектора является периодическая линейно-ломаная характеристика.

Из-за нелинейности детекторных характеристик возникают нелинейные искажения выходного сигнала детектора.

Особенностью детекторной характеристики амплитудного диодного детектора, относящегося к классу нелинейных детекторов, является её квадратичность при детектировании слабых сигналов и линейность при детектировании сильных сигналов.

Линейной детекторной характеристикой обладает идеальный синхронный детектор, коэффициент передачи которого изменяется синхронно с несущей АМ сигнала.

Поскольку частотные детекторы строятся на основе частотно-селективных цепей их детекторные характеристики существенно нелинейны, поэтому существует понятие раствора (рабочего участка) детекторной характеристики, в пределах которого она приближается к линейной. Крутизна рабочего участка детекторной характеристики частотного детектора, определенная при частотном отклонении от среднего значения, равном нулю, называется крутизной частотного детектора. Этот параметр определяет эффективность детектирования.

Для устранения нелинейных искажений согнала, вызванных изменением амплитуды сигналов угловой модуляции, перед детектором включается амплитудный ограничитель, поддерживающий постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении амплитуды входного сигнала. Амплитудный ограничитель не требуется в случае использования дробного частотного детектора, который обладает свойством внутреннего амплитудного ограничения.

Контрольные вопросы по теме 5

1. Каково назначение амплитудного детектора?

2. Дайте определение детекторной характеристике амплитудного детектора?

3. Какова идеальная детекторная характеристика амплитудного детектора?

4. В чем преимущество синхронных амплитудных детекторов по сравнения с нелинейными детекторами?

5. Каково назначение фазового детектора?

6. Дайте определение детекторной характеристике фазового детектора.

7. Начертите график детекторной характеристики любого известного Вам фазового детектора. Какова основная особенность этой характеристики по сравнению с детекторными характеристиками амплитудного и частотного детектора?

8. Каково назначение частотного детектора?

9. Дайте определение детекторной характеристике частотного детектора?

10. Какова идеальная детекторная характеристика частотного детектора?

11. Перечислите принципы частотного детектирования.

12. Каково назначение амплитудного ограничителя?

13. Что такое порог ограничения?

14. У какого из амплитудных детекторов рисунка 5.43 входное сопротивление больше?

Диоды в детекторах одинаковы.

Рисунок 5.43

15. У какого из двух детекторов рисунка 5.43 пульсации высокочастотного напряжения на нагрузке детектора меньше?

16. На рисунке 5.44 приведена детекторная характеристика частотного детектора. Какова максимальная девиация частоты ЧМ сигнала, при которой отсутствуют нелинейные искажения выходного сигнала детектора, обусловленные нелинейностью его детекторной характеристики?

Контрольная карта ответов по теме 5

14. Входное сопротивление больше у детектора рисунка 5.43 б из-за большего сопротивления нагрузки.

15. Пульсации высокочастотного напряжения на нагрузке меньше у детектора рисунка 5.43 а из-за большей постоянной времени нагрузки .

16. Максимальная девиация частоты 6 МГц

Список литературы по теме 5

1. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов./ Под редакцией Фомина Н.Н. М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520с.: ил.

2. Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.-456с.: ил.

3. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 528с.

Дата добавления: 2015-07-26