6 Детектирование слабых сигналов

Детектирование слабых сигналов

При детектировании слабых сигналов диод работает без отсечки тока. Рабочий участок детектирования находится в пределах криволинейной части статической характеристики диода. При отсутствии входного сигнала в детекторе протекает начальный ток диода, создающий на нагрузке напряжение Uо. При подаче на вход детектора выходного сигнала напряжение на нагрузке возрастает на величину ΔU. В режиме детектирования слабых сигналов Uвх <Uo и ΔU<Uo. Крутизна детектора пропорциональна амплитуде входного сигнала и невелика. Внутреннее сопротивление детектора определяется крутизной статической характеристики в исходной рабочей точке. Riд=.

Коэффициент передачи детектора при малых выходных напряжениях пропорционален амплитуде несущей частоты и значительно меньше единицы. Таким образом, квадратичный детектор значительно ослабляет принимаемые сигналы. Другим существенным недостатком квадратичного детектирования является высокий уровень нелинейных искажений. Коэффициент гармоник Кг==m

С увеличением глубины модуляции нелинейные искажения, растут и при m=1 коэффициент гармоник, достигает величины 0,25. Rвх==

Крутизна статической характеристики диода при напряжении Uo мала, поэтому Rвх оказывается достаточно высоким. С учетом перечисленных недостатков квадратичное детектирование находит применение в простейших приемниках и в ряде измерительной аппаратуры.

Детектирование сильных сигналов

В линейных детекторах ток через диод протекает в течение небольшой части периода несущей частоты модулируемого колебания. При подаче на вход детектора немодулированного полупериоды через диод протекает пульсирующий ток. В установившемся режиме работы на нагрузке создается постоянное напряжение, смещающее рабочую точку влево. При модулированном входном напряжении постоянное напряжение будет изменяться по закону модуляции.

Идеализируя диод, представляем его характеристику линейной, и подаем на вход идеального детектора немодулированного высокочастотное напряжения Uвх=Umcost

В этом случае к диоду будет приложено напряжение U=Umcost-U.

Угол отсечки тока диода определяется условием: Umcosθ=U, отсюда cosθ=, а напряжение, проложенное к диоду будет равно U=Um(cost-cosθ).

При U>O ток диода i=SUm(cost-cosθ).

Представляя ток диода в виде ряда Фурье, определим его постоянную составляющую

I=SU_m(cost-cos)dt

I=SU_m(sin - cos)

На основании представленных выражений можно определить внутренние параметры детектора

Sд== при U=const.

== при Um=const

Riд= д=SдRiд=

Таким образом, внутренние параметры детектора определяются углом отсечки и крутизной характеристики.

Параметрический (синхронный) АД

Под действием гетеродина периодически во время меняется параметр цепи (как, правило, крутизна преобразовательного элемента). В отличии от преобразователя частоты в этом случае частота гетеродина выбирается равной частоте входного сигнала fг=fс (гетеродин синхронен с сигналом). В результате преобразования в выходном токе появляются новые частотные составляющие, из которых iн=0,5S₁Uсcos(г-с) является полезной. На выходе напряжение Uд=IнRн0,5RнSUс cos(г-с). Поэтому выходное напряжение синхроного детектора определяется как закон изменения амплитуды выходного сигнала, так и разностью фаз входного сигнала и напряжения гетеродина. При =0,с=г cos =1 и Uд максимально. Если с=г90⁰, то =0 и Uд=0. Таким образом, необходима не только синхронность fс=fг , но и синхронность сигналов. Для обеспечения этого условия используют специальные цепи синхронизацию, выделяющие колебания сигнала и подводящие его к фазовому детектору системы АПЧ гетеродина.

Диодное детектирование радиоимпульсов

В радиоприемных устройствах импульсных сигналов используется детекторы радиоимпульсов. Эквивалентная схема предшествующего каскада и схема детектора могут быть представлены в следующем виде.

Предположим, что на входе усилителя действует импульс с идеальной прямоугольной огибающей. Полагаем, что полоса пропускания контура усилителя настолько широка, что при отключенном детекторе напряжение на контуре имеет практически прямоугольную огибающую. В начальный момент времени на диод поступает первая положительная полуволна напряжения Uк, открывая его и заряжая конденсатор Cн. В момент t1напряжение на диоде практически равно 0 и конденсатор разряжается до момента t2. При подаче второй положительной полуволны конденсатор подзаряжается, причем от периода к периоду ВЧ колебаний уровень заряда конденсатора возрастает. Через несколько периодов колебаний или серии зарядов и разрядов напряжение на конденсаторе Cн устанавливается. По окончании действия радиоимпульса Cн разряжается через Rн, а напряжение на выходе детектора уменьшается по экспоненте. В процессе установления напряжения на Cн меняется угол отсечки тока диода. В начале заряда он равен 90⁰, т.к. ток через диод протекает в течение первого полупериода напряжения Uк. По мере установления Uд угол отсечки уменьшается и при фиксированной величине Rн стремится к установившемуся значению.

уст

В конечном итоге изменяется постоянная составляющая Iдо. и амплитуда первой гармоники I1m. В свою очередь изменение тока приведет к изменению входного сопротивления детектора. В начальный момент при =90⁰ Rвх2Riдо, значит с учетом малости Riд RвхRэ.

Малая величина Rвх в этот момент сильно шунтирует контур предыдущего каскада. В установившемся режиме Rвх0,5Rн и слабо шунтирует контур. Значит, в процессе установления напряжения на детекторе имеет место переменное шунтирование контура входным сопротивлением детектора из-за чего напряжение на контуре не имеет прямоугольной огибающей.

При детектировании радиоимпульсов имеют место два переходных процесса, приводящие к искажению импульсов. Искажается фронт продетектированного напряжения и изменяется срез этого импульса после окончания радиоимпульса. При этом срез импульса значительно больше чем фронт. Это объясняется тем, что фронт формируется в процессе заряда с малой постоянной времени. Формирование среза импульса осуществляется в процессе разряда через достаточно большое сопротивление нагрузки.

Принято считать, что время спада это интервал, в течение которого напряжение детектора уменьшается от 0,9 Uуст до 0,1 при этом tсп2,3RнCн. Считается допустимым если tсп0,25н.

Для уменьшения искажений надо уменьшать постоянную времени нагрузки н=р=CнRн. Уменьшение Rн приведет к уменьшению Rвх и росту шунтирования источника сигнала при уменьшении коэффициента передачи детектора. При требуемом значении н стремятся уменьшать Cн, однако при этом эта емкость не должна быть соизмерима с емкостью диода. Реально считать Cн(910)Cд

Пиковый детектор

Предназначен для детектирования импульсов постоянного тока, когда его выходное напряжение пропорционально пиковому напряжению видеоимпульсов. В простейшем случае это можно осуществить с помощью цепочки линейного RC фильтра нижних частот, когда напряжение на выходе фильтра Uвых=, где Q=– скважность. При этом коэффициент передачи фильтра Kд=. При высокой скважности коэффициент передачи мал, поэтому этот способ детектирования возможен при Q<10. При высокой скважности применяют пиковый диодный детектор, схема которого аналогична диодному детектору А.М. сигналов. С учетом того, что в основном пиковый детектор подключается к видеоусилителю с резисторной нагрузкой целесообразно использовать параллельную схему.

Детектирование частотно-модулированных сигналов

Частотное детектирование осуществляется с помощью устройств, включающих в себя линейные и безынерционные нелинейные системы. Структурная схема однотактного частотного детектора представляется следующим образом:

Пр

АО

Uвх Uвых

АО – амплитудный ограничитель

Пр – преобразователь ЧМ колебаний

Д – детектор

Амплитудный ограничитель служит для устранения паразитной модуляции ЧМ - колебаний. Преобразователь может преобразовать ЧМ – колебания в следующие виды:

1. В амплитудно – частотно – модулированное, когда амплитуда колебания изменяется соответствии с изменениям его частоты.

2. В фазочастотное колебание с последующим фазовым детектированием.

3. В импульсные сигналы с переменной скважностью с последующим детектированием импульсным детектор, на выходе которого напряжение будет пропорционально делительности импульсов. Структурная схема двухтактного (балансного) детектора может быть представлена в следующем виде.

Д1

Uвх

АО		Пр
				Д2

ЦВ

Uвых

Схема включает в себя два детектора преобразованного напряжения и цепь вычитания. В этой схеме характеристика детектирования более линейна, т.к. компенсируются четные гармоники. Характеристика детектирования происходит через нулевое значение, поэтому напряжение на выходе соответствует знаку отклонения угловой частоты вх от несущего значения н, что дает возможность использовать балансные ЧД в цепях АПЧ.

Виды частотных детекторов

Детектирование с преобразованием девиации частоты в изменение амплитуды. В данном случае ЧМ – колебания преобразуется в АМ – колебания с помощью расстроенных относительно несущей частоты резонансных цепей с последующим детектированием. Однотактный детектор можно представить в следующем виде

Преобразование ЧМ – колебаний в данной схеме осуществляется, в резонансном LC контуре, используя для этого наклонный участок его АЧХ, на котором зависимость напряжения от частоты близка к линейной. В этом случае возникает сопутствующая модуляция, при которой закон изменения частоты преобразуется в изменение амплитуды напряжения.

Характеристика детектирования Uвых=(f) будет близка по форме к АЧХ линейной цепи (резонансной характеристике контура).

Балансный частотный детектор

(на основе схемы со взаимно-расстроенным контурами.)

Практически в схеме используется два частотных детектора с одиночными контурами. Контур L1C1 настроен на частоту f01>fо на величину f, а контур L2C2 на частоту f02<f0 на f.

f0 - средняя частота входного сигнала.

При отсутствии частотной модуляции на контурах, будут одинаковые напряжения и через нагрузки, будут протекать одинаковые токи т.к. выходное напряжение балансного детектора равно разности выходных напряжений однотактных схем результирующее напряжение будет равно нулю. При наличии девиации частоты Uк1Uк2, а значит и Uвых>0.

Частотный детектор с преобразованием частоты в изменение фазового сдвига.

Детектор с одиночным колебательными контуром

Контур LC настроен на среднюю частоту детектируемого напряжения. Ток, протекающий в контуре, создает на нем напряжение, сдвиг фазы  которого зависит от частоты детектируемого сигнала. Одновременно ток создает напряжение U0 в катушке связи L2, фаза которого совпадает с током в широкой полосе частот. Результирующее напряжение

U_=детектируется амплитудным детектором, причем напряжение на выходе детектора пропорционально U_ и так же зависит от частоты.

Частотный детектор со связанными контурами

Для преобразования ЧМ – колебаний используют линейную цепь из двух индуктивно связанных контуров L1C1 и L2C2, настроенных на среднюю частоту сигнала f01=f02=f0. На выходе линейной цепи включены два диодных детектора, на нагрузках которых выделяются продетектированные напряжения и Диоды подбираются одинаковыми, а Rн1=Rн2, поэтому коэффициент передачи детекторов равных cos. В этом случае , ,где Uд1 и Uд2 – высокочастотное напряжение на диодах. Дроссель обеспечивает замыкание цепи постоянной составляющей тока диодов. В данной схеме нет отдельного вычитающего устройства, а используется просто сложение противофазных напряжений на выходе детекторов.

Uвых=.

К диодам приложено два напряжения U1 и 0,5 U2. Напряжение с первого контура передается через дроссель Lдр, который по ВЧ подключен параллельно контуру. Для уменьшения влияния индуктивности дросселя на первый контур её выбирают исходя из условия Lдр10L1.

Принцип работы частотного детектора со связанными контурами достаточно наглядно можно пояснить с помощью векторных диаграмм. Если fс=f0, т.е. ЧМ отсутствует, то ЭДС 2, наводимая во втором контуре 2r1 1/L1 будет совпадать по фазе с напряжением 1. Фаза тока 2, наводимого во втором контуре совпадает с фазой ЭДС 2. Таким образом, векторы 1, 2, 2 совпадают по фазе. Напряжение на втором контуре 2 за счет конденсатора C2 отстает от тока I2 на 90⁰. Половина этого напряжения, приложенная к диоду Д2 и действующая относительно средней точки катушки L2,опережает 1 на 90⁰ и совпадает с 2. Вектор напряжения на первом диоде Uд1=1+0,52 Uд2=1-0,52. При fс=₀ эти напряжения равны и результирующее напряжение будет равно нулю.

При fс>f0, как в предыдущем случае ЭДС 2 совпадает по фазе с напряжением 1. Сопротивление второго контура 2fL2 - для тока 2 носит индуктивный характер. Напряжение 2 отстает от тока на 90⁰, а следовательно, к диоду Д2 напряжение равное – 0,52 опережает ток 2 на 90⁰. В данном случае Uд2  Uд1 и Uвых  0.

Фазовое детектирование

Обеспечивает выделение полезной информации из фазомодулированного сигнала.

Если на входе ФД действует напряжение Uвх=Umcost, то продектированное напряжение Uвых=КФД. При фазовой модуляции фаза плавно изменяется в соответствии с передаваемым сообщением. Так как в спектре выходного сигнала имеются составляющие, отсутствующие во входном сигнале для фазового детектирования применяются параметрические системы, в которых, как правило, изменяется крутизна. Таким, образом, схема ФД совпадает со схемой параметрического АД. Простой схемой ФД является однотактный диодный детектор, который представляет собой цепь с амплитудным детектором, на выходе которой действуют напряжения входного сигнала и опорного колебания.

Форма характеристики детектирования зависит от отношения . При UвхU0 , она близка к косинусоиде. При UвхU0 она имеет форму циклоиды.

Большее применение на практике находят балансные ФД , который представляет собой два диодных однотактных ФД , работающих на отдельную нагрузку. На выходе каждого плеча детектора создаются противофазные напряжения, а выходной сигнал представляет разностью напряжений, снимаемых с плеч детектора. Выходное напряжение подводится к диодам в противофазе, а опорное напряжение в фазе.

вых=Кд(U0+вхcos).

вых=Кд(U0-вхcos)

Таким образом

Uвых=вых - вых  Кд(вх + вх)cos=2Кдвхcos.

Разновидностью балансного фазового детектора является кольцевой ФД, в котором используется два балансных детектора, что повышает симметричность характеристики детектирования и повышение коэффициента передачи.