.

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Кафедра № 12

Л Е К Ц И Я № 23

«Амплитудное детектирование и ограничение»

^{( наименование темы )}

по дисциплине «Теория радиотехнических цепей и сигналов»

Профессор кафедры №12

доктор технических наук, профессор

^{( ученая степень, ученое звание,}

Лось А.П.

^{воинское звание, фамилия и инициалы автора )}

Санкт-Петербург

2011 г.

Вопросы лекции.

1.Умножение частоты.

2.Амплитудное ограничение.

3. Амплитудное детектирование.

УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Наличие в составе импульсного тока ряда гармоник с частотами, кратными основной частоте возбуждения, позволяет использовать усилитель, работающий с отсечкой тока, в качестве умножителя частоты. Для этого не требуются какие-либо изменения в схеме ре­зонансного усилителя, достаточно лишь нагрузочный колебательный контур настроить на частоту выделяемой гармоники и установить наиболее выгодный для подчеркивания полезной гармоники режим работы активного элемента. Из графиков изображенных на рис. 8.12 видно, что для удвоения частоты выгодно работать с углом отсечки, близким к 60°, при котором коэффициент второй гармоники проходит через максимум, для утроения частоты — с углом отсечки 40° и т. д.

Отношения

называются коэффициентами, соответственно, постоянной состав­ляющей, первой гармоники и т. д. (функции Берга).

Из рассмотрения графиков функций можно вывести важные за­ключения. При работе с углом отсечки меньше 180° отношение ампли­туды первой гармоники , к постоянной составляющей больше единицы, между тем как в линейном режиме это отношение много меньше единицы. С уменьшением это отношение растет.

При достаточно высокой добротности на­пряжение на контуре от всех гармоник, за исключением n-й, очень мало. Поэтому напряжение на контуре близко к гармоническому с частотой .

Можно поэтому считать, что для умножителя частоты характерен режим работы с большими амплитудами входного напря­жения.

Схема замещения умножителя частоты внешне не отличается от схемы замещения нелинейного усилителя. Следует лишь по аналогии под средней крутизной под­разумевать

где коэффициент n-й гармоники определяется формулой (8.26).

Соответственно и внутреннее сопротивление электронного при­бора, приведенное к используемой гармонике, равно

Умножение частоты широко применяется в радиопередающих устройствах с кварцевой стабилизацией частоты задающего генера­тора. Частота этого генератора выбирается относительно невысокой, в 4—12 раз меньшей рабочей частоты передатчика, благодаря чему создаются благоприятные условия для использования пьезоэлек­трического эффекта кварцевой пластинки. Умножение частоты осуществляется в последующих каскадах передатчика на малой мощности. Чаще всего применяется удвоение, реже утроение часто­ты в одном каскаде.

АМПЛИТУДНОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ

В радиотехнике часто возникает необходимость устранить неже­лательные изменения амплитуды высокочастотного колебания, воз­никающие из-за накладки помех на радиосигнал, при передаче час­тотно-модулированных колебаний через избирательные цепи и т. д.

Для этого широко используются амплитудные ограничители, представляющие собой сочетание нелинейного элемента и избирательной

нагрузки. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента должна иметь сильно выраженную горизонтальную часть, а полоса пропускания избирательной цепи должна быть не шире той, которая требуется для передачи информации, содержащейся в частоте (или фазе) ограничиваемого колебания. В качестве амплитудного ограничителя может быть использован, в частности, обыч­ный нелинейный резонансный усилитель.

Пусть к ограничителю подводится колебание вида

причем изменение огибающей Е (t) является нежелательным, пара­зитным фактором. Если это изменение не выходит за пределы го­ризонтального участка характеристики , как это показано на рис. 8.18, то импульсы тока имеют одинаковую амплитуду, неза­висимо от Е (t). Несколько изменяется лишь ширина вершины им­пульсов. Поэтому можно в первом приближении считать, что ампли­туда первой гармоники, а следовательно, и амплитуда напряжения на колебательном контуре являются в некотором интервале изменения амплитуды Е (f) постоянными вели­чинами.

Характеристику ограничителя с избирательной нагрузкой, обеспечи­вающей отфильтровывание высших гармоник, можно представить в виде, изображенном на рис. 8.19. Через обозначено пороговое значение амплитуды входного напряжения, на­чиная с которого обеспечивается пол­ное ограничение на уровне U₀.

При амплитуда на выходе почти не изменяется.Фаза же первой гармоники тока и соответственно выходного напря­жения совпадает с фазой напряжения на входе ограничителя.

Поэтому для выходного напряжения можно написать следующее выражение:

Амплитуда выходного напряжения U₀ определяется параметрами нелинейного элемента и избирательной нагрузки. Для схемы, изо­браженной на рис. 8.15, б, где I_г — амплитуда первой гармоники, определяемая с учетом уплощения вершины импульса, a Zэ_P — эквивалентное резонансное сопротивление контура.

АМПЛИТУДНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Детектирование колебаний заключается в выделении сигнала, который в неявной форме содержится в модулированном высоко­частотном колебании. По своему назначению детектирование яв­ляется процессом, обратным процессу модуляции.

В тех случаях, когда требуется подчеркнуть это, наряду с термином «детектирова­ние» (обнаружение) применяют термин «демодуляция». Соответст­венно основным видам модуляции различают амплитудное, частотное и фазовое детектирование.

Рассмотрим некоторые яв­ления в детекторе при модулиро­ванном колебании, а также особенности детектирования слабых и сильных колебаний. Обратимся сначала к последнему вопросу. Допустим, что амплитуда колебания на входе детектора настолько мала, что обусловленные этим колебанием изменения тока уклады­ваются на относительно небольшом участке нижнего сгиба ха­рактеристики диода или любого другого нелинейного элемента (рис. 8.30).

В соответствии с выражением (8.10) ток через диод (см, рис, 8.23) равен

где — мгновенное значение высокочастотного сигнала, амплитуда которого Е (t) модулирована по закону переда­ваемого сообщения (начальную фазу для краткости мы опустим, так как на работу амплитудного детектора фаза не оказывает влия­ния).

Таким образом,

Постоянная составляющая тока (ток покоя) и высоко-

частотные составляющие и 2 отфильтровываются в цепи на­грузки. Информация содержится в последнем, низкочастотном, сла­гаемом

I

Так как эта составляющая пропорциональна квадрату амплитуды входного напряжения, то при малых амплитудах детектирование, является квадратичным. Это положение является общим, справед­ливым для любых типов нелинейных, элементов, используемых для детектирования.

То обстоятельство, что напряжение U_вых (t) на нагрузке, яв­ляющейся линейной цепью, пропорционально и, следовательно, квадрату амплитуды входного сигнала Е (t), не является препятст­вием к правильному воспроизведению формы импульсных (прямо­угольных) сигналов.

Нелинейность харак­теристики детектирования в данном случае проявляется лишь в том, что амплитуда импульса на выходе детектора пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения на входе детек­тора.

Иначе обстоит дело при квадратичном детектировании колеба­ний, огибающая которых является непрерывной функцией времени, как это имеет место, например, при передаче речи, музыки и т. д. Для упрощения рассуждений рассмотрим случай тональной моду­ляции. Подставив в выражение (8.55)

получим

Заметим, что в отсутствие модуляции (М = 0), т. е. когда на детектор действует одно лишь колебание несущей частоты, прира­щение тока равно Таким образом, при возникновении то­нальной модуляции среднее значение тока получает постоянное по величине относительное приращение, равное Переменная часть тока содержит следующих два слагаемых: а) полезное, воспроизводящее сигнал . б) вредное, являющееся второй гармоникой сигнала

Отсюда следует, что коэффициент гармоник, равный в данном случае отношению амплитуды второй гармоники к амплитуде пер­вой, равен

При 100%-ной модуляции получается

При передаче сложных сигналов, содержащих большое число частот, гармоники и комбинационные частоты оказывают при глу­бокой модуляции очень сильное влияние на разборчивость и тембр сигнала. Поэтому применение квадратичного детектирования неце­лесообразно в тех случаях, когда требуется неискаженное воспро­изведение сигналов (речь, музыка и т. д.).

Рассмотрим детектирование больших амплитуд. Как и ранее, применим диодный детектор. Не изменяя схемы, представленной на рис. 8.23, допустим, что амплитуда входного сигнала достаточно велика, a R и С выбраны таким образом, что угол отсечки тока очень мал и выпрямленное напряжение на R почти не отличается от ам­плитуды Е (t) входного сигнала. Подобный режим для постоянной амплитуды (выпрямление) был рассмотрен в § 8.7.

Рассмотрим нелинейную цепь, изображенную на рис. 8.23. К последовательному соединению нелинейного элемента Д (диод) с простейшим RС-фильтром приложена гармоническая э. д. с.

требуется найти токи в ветвях и напряжение Uвых на выходе схемы (в стационарном режиме). Такая задача ха­рактерна для однополупериодного выпрямления переменного тока. Напряжение на выходе представляет собой пульсирующую около среднего значения U₀ кривую (рис. 8.24, а). Это напряжение является отрицательным по отношению к диоду. Поэтому ток через диод возможен только в те­чение отрезков периода, когда положительная полуволна э. д. с. превышает напряжение Иными словами, ток через диод имеет форму импульсов, показанных на рис. 8.24, б. В промежутках между импульсами тока, когда происходит разряд конденсатора С через резистор R, напряжение , убывает. В промежутке t₁ < t< t₂ конденсатор подзаряжается импульсом тока и и_выx(t) растет. Если постоянная времени RC нагрузочной цепи велика по сравнению с периодом то амплитуда пульсаций напряжения Uв_ых мала и в первом приближении можно считать U₀. Учитывая, что по отношению к диоду напряжение на нагруз­ке является отрицательным, рассмотрим построение, показанное на рис. 8.25. В левой части этого рисунка сплошной линией изображена истинная вольт-амперная характеристика диода в координатах, напряжение и, а штриховой прямой линией — аппроксимирующая ее линейная функция. Диаграмма входной э. д. с.

построена относительно вертикальной оси смещенной на вели­чину влево отточки = 0..

. На рис. 8.33, а совмещены входное (высокочастотное) и выходное выпрямленное напряжение (зубчатая линия). Так как при достаточно большой (по сравнению с периодом высокой частоты постоянной времени RC зубцы практически отсутствуют, то напряжение на выходе воспроизводит огибаю­щую амплитуд входного напряжения, т. е. передаваемое сообщение. Таким образом, связь между выходным напряжением (выпрямлен­ным) и амплитудой входной э. д. с. Е (i) получается почти линейной.

В этом смысле детектор, работающий в режиме больших амплитуд и с нагрузкой, обеспечивающей близкое совпадение на­пряжений и E(t), называется линейным детек­тором

. При этом не следует, конечно, упускать из виду, что де­тектор, работающий с отсечкой тока, является сугубо нелинейным устройством. Эта нелинейность обусловлена формой характерис­тики не только в области >0 (где характеристика может быть близ­ка к линейной), а на протяжении всей области действующих на дио­де напряжений. При работе с отсечкой характеристика диода пред­ставляет собой ломаную линию, состоящую из участка оси абсцисс (при < 0) и наклонной линии (при > 0), с изломом вблизи точ­ки = 0.

Режим модуляции накладывает на выбор элементов нагрузки детектора дополнительные ограничения. Необходимо, чтобы постоянная времени цепи нагрузки была мала по сравнению с перио­дом модуляции. В противном случае изменение выпрямленного на­пряжения на нагрузке может отставать от изменения огибающей входной э. д. с. Подобный режим представлен на рис, 8.33, б. На участке а — б из-за чрезмерно большой инерционности RC-цепи напряжение и_вых отстает в своем росте от огибающей э. д. с. В точ­ке б, где и_вых и амплитуда модулированной э. д. с. уравниваются, ток через диод и рост и_вых прекращаются. На участке б —в источ­ник э. д. с. и диод не оказывают никакого влияния на нагрузочную цепь и в последней происходит разр яд конденсатора С через резис­тор R. Таким образом, на участке б — в напряжение является экспо-нентой. Получается нелинейное искажение сигнала. Так как эти ис­кажения обусловлены тесным взаимодействием нелинейного элемен­та (диод) с линейной цепью (RC), степень нелинейных искажений зависит не только от параметров цепи и глубины модуляции, но так­же и от частоты модуляции. Эти искажения возрастают с повышением частоты, а также глубины модуляции входной э. д. с. Для устра­нения рассматриваемых искажений необходимо, чтобы С другой стороны, для сглаживания высокочастотных пульсаций требуется выполнение неравенства Совмещая эти два условия, получаем неравенства

Обычно эти частоты сильно различаются и выполнение условия (8.56) не встречает затруднений.

). При малых амплитудах она квадратична, при больших линейна. Чем больше амплиту­да входного колебания, соответствую­щая пику модуляции, тем меньшую роль играет отклонение ха­рактеристики детектирования от прямой линии (штриховой) вблизи нуля