УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Кафедра № 12

Л Е К Ц И Я № 24

«Частотное и фазовое детектирование»

^{( наименование темы )}

п о дисциплине «Теория радиотехнических цепей и сигналов»

»

П рофессор кафедры №12

д октор технических наук, профессор

^{( ученая степень, ученое звание,}

Лось А.П.

^{в оинское звание, фамилия и инициалы автора )}

Санкт-Петербург

2011 г.

Вопросы лекции.

1. Частотное и фазовое детектирование.

2. Получение амплитудно-модулированных колебаний..

ЧАСТОТНОЕ И ФАЗОВОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Напряжение на выходе частотного детектора должно воспроиз­водить закон изменения мгновенной частоты модулированного ко­лебания. Представив последнее в форме

получим для идеального частотного детектора следующую функ­циональную связь:

где — крутизна характеристики детектора, выраженная в вольтах на единицу угловой частоты; — мгновенное значение частотного отклонения входной э. д. е. Если поль­зоваться частотами то в выражении

'крутизна характеристики S_an будет иметь размерность В/Гц.

Предполагается, что , а следовательно, и являются умедленными» функциями времени. Для выделения сообщения из частотно-модулированного колебания, спектр которого состоит только из высокочастотных составляющих (несущая частота и боко­вые частоты модуляции), необходимо нелинейное устройство. Сле­довательно, частотный детектор обязательно должен включать в себя нелинейный элемент, Однако в этом случае в отличие от амплитудного детектора для образования частот сообщения одного лишь нелинейного элемента недостаточно.

Из вольтам­перных характеристик нелинейных элементов видно, что при по­стоянстве амплитуды входного напряжения нелинейный элемент не реагирует на изменение частоты этого напряжения. Иными словами, нелинейность таких устройств, как диод, проявляется лишь при изменении величины действующего на них напряжения, а не при изменении частоты или в общем случае скорости изменения сигна­ла.

Поэтому обычный частотный детектор представляет собой соче­тание двух основных частей: 1) избирательной линейной цепи, пре­образующей частотную модуляцию в амплитудную и 2) амплитуд­ного детектора.

При правильном построении схемы частотного детектора изме­нение амплитуды входного сигнала не должно влиять на величину вы­ходного напряжения. Поэтому в схему частотного детектора обычно входит устройство для ограничени я амплитуды входной э. д. с. Иногда ограничение осуществляется уста­новлением специального режима работы усилительного прибора, входящего в состав частотного детектора.

В качестве линейной цепи можно использовать любую электри­ческую цепь, обладающую неравномерной частотной характерис­тикой: цепи RL, RC, фильтры, колебательные контуры и т. д. В вы­сокочастотной технике большое распространение получили колеба­тельные цепи. Схема частотного детектора, содержащего простой колебательный контур, представлена на рис. 8.36.

Если резонанс­ная частота контура отличается от средней частоты модулиро­ванного колебания , то изменение амплитуды напряжения на кон­туре повторяет в известных пределах изменение частоты вход­ного напряжения (рис. 8.37).

Изменение амплитуды высокочастотного напряжения с по­мощью диода Д преобразуется в низкочастотное напряжение, кото­рое выделяется на апериодической нагрузке R,C. Отметим попутно, что при точной настройке контура на частоту ω_р = ω₀ сигнал иска­жается; частота изменения огибающей получается вдвое выше час­тоты полезной модуляции. В исходном режиме, т. е. при отсутствии модуляции, рабочая точка должна устанавливаться на скате ре­зонансной кривой.

Недостатком рассмотренной схемы является необходимость на­стройки контура на частоту, отличную от частоты немодулирован-ного колебания. Кроме того, одиночный колебательный контур имеет весьма ограниченный линейный участок на скате резонансной кривой.

На рис. 8.38 представлена схема частотного детектора, широко распространенная в приемниках частотно-модулированных коле­баний, а также в устройствах для автоматической подстройки час­тоты генераторов. Она содержит колебательную цепь в виде двух индуктивно связанных контуров, настроенных на частоту ω_0.

.

На­пряжение высокой частоты подается на базу транзистора, а продетектированное напряжение выделяется на резисторах R₁ и R₂- Катушка индуктивности L_w (дроссель) преграждает путь току высокой частоты. Принцип действия данного детектора поясняется эквивалентной схемой и векторной диаграм­мой, представленными на рис. 8.39 и 8.40.

Пусть Uj — напряжение на первом контуре, U₂ — на втором контуре, U₃ и U₄ — напряжения в точках В и D относительно эмиттера (зем­ли). Заметим, что U₃ и , представляют собой амплитуды высокочастотных напряжений, при­ложенных соответственно к диодам Д_г и Д_в. В отсутствие модуля­ции, когда частота входного напряжения совпадает с резонансными частотами контуров, напряжение U₂, развиваемое на индуктивности второго контура, сдвинуто по фазе на 90° относительно резонанс­ного напряжения .

Определим напряжения U₃ и U₄. Учитывая, что средняя точка второго контура присоединена по высокой частоте непосредственно

к точке А и, следовательно, напряжение U₃ является суммой напря­жения и половины напряжения U₂, получаем напряжений U₃ и U₄ одинаковы и равны

а фазы симметричны относительно фазы напряжения U_lp. Соответ­ствующая этому случаю векторная диаграмма представлена на рис. 8.40, а. Так как выпрямленные напряжения U₀₁ и U₀₂, дейст­вующие на резисторах и R₂, пропорциональны амплитудам и , то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности U₀₁ и , при резонансной частоте будет равно нулю.

Рассмотрим теперь векторную диаграмму напряжений при рас­стройке. Пусть частота на входе детектора отклонится от резонанс­ной частоты ω₀ на величину , причем . Тогда вектор DB, соответствующий напряжению U₂ (рис. 8,40, б), повернется относительно своего резонансного положения на угол φ₂, который определяется выражением

Вместо выражений (8.63) и (8.64) получим

Первый и второй контуры обычно берутся идентичными. Поэтому отношение является коэффициентом связи контуров. Кроме того, считаем = = , . Вводя обозначение

и переходя к модулям, получаем

Напряжение на выходе при учете дифференциального включе­ния нагрузок после ряда преобразований будет иметь вид:

Зависимость представлена на рис. 8.41 в виде семейства характеристик для различных значений параметра .

Кроме рассмотренных, имеется ряд других схем частотных де­текторов, отличающихся лишь в деталях.

Рассмотрим теперь принцип работы фазового детектора. Пусть фаза высокочастотного колебания, подлежащего детектированию, именяется по закону . Если такое колебание подать на обычный частотный детектор, реагирующий на изменение мгновенной часто­ты колебания, то напряжение на выходе детектора

т. е. выходное напряжение, будет пропорционально производной фа­зы входного колебания. Отсюда видно, что для осуществления фазо­вого детектирования можно использовать обычный частотный детектор.

Необходимо лишь дополнить его корректирующей цепью осуществляющей интегрирование выходного напряжения, т. е. цепью с частотной характеристикой вида В случае же скачкообразного изменения фазы, а также при необходимости сравнения фазы принимаемого колебания с фазой опорного (эталонного) колебания применяются специальные фазо­вые детекторы, в которых выходное напряжение пропорционально огибающей напряжения, получаемого при суммировании колебаний со сравниваемыми фазами.

ПОЛУЧЕНИЕ АМПЛ ИТУДНО-МОДУЛ ИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Ранее указывалось, что при воздействии на нелинейный резистивный элемент с квадратичной характеристикой двух гармони­ческих колебаний с частотами и , отвечающими условию , в спектре тока среди других спектральных составляющих можно выделить три частоты образующие спектр амплитудно-модулированного колебания.

В генераторах и передатчиках важным требованием обычно является получение большой мощности колебания' при хорошем к. п. д. Ясно, что квадратичный режим работы нелинейного элемен­та этому требованию не отвечает. Для улучшения энергети­ческих показателей модуляции резистивный нелинейный эле­мент должен работать в сущест­венно нелинейном режиме, с от­сечкой тока. Поэтому модуля­ция амплитуды высокочастотного колебания сводится к воздейст­вию на нелинейный резонансный усилитель. Структурная схема устройства для получения ампли-тудно-модулированных колебаний представлена на рис. 8.44.

На вход нелинейного резонансного усилителя, работающего с отсечкой тока, подается

несущее колебание с частотой со₀ от незави­симого источника (автогенератора). Модулирующее колебание (сообщение) спектр которого расположен в области частот, низких по сравнению с , изменяет положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике нелинейного элемента и тем самым осуществляет изменение амплитуды на выходе.

Одна из возможных схем подачи модулирующего колебания к резонансному (транзисторному) усилителю показана на рис. 8.45. Конденсатор С_б в цепи база — эмиттер защищает низко­частотную цепь от токов высокой частоты.

Режим работы нелинейного усилителя при модуляции поясняется рис. 8.46, а, построенным для случая тональной модуляции (s(t) — гармоническая функ­ция с частотой Ω).

Так как ток коллектора то амплитуда напряжения на колебательном кон­туре, создаваемого первой гар­моникой коллекторного тока, будет

От рассмотренного ранее построения (рис. 8.10) отли­чие заключается в зависимо­сти амплитуды импульсов то­ка (рис. 8.46, б) от модулирующего напряжения . Это при­водит к изменению амплитуды первой гармоники тока и, следова­тельно, к изменению амплитуды напряжения на колебательном контуре усилителя.

Модулированный по амплитуде ток основной частоты показан на рис. 8.46, в. Штриховой линией обозначено изменение — амплитуды первой гармоники тока. При правильном выборе амплитуды модулирующего напряжения изменение амплитуды импульсов относительно исходного значения связано с линейным соотношением

где — постоянный коэффициент.

Так как изменение (при постоянной амплитуде Е высокочас­тотного колебания) сопровождается изменением угла отсечки , то амплитуда первой гармоники коллекторного тока

Здесь I₁₀ — амплитуда несущего колебания. Произведение k_ам изменяется по закону, отличающемуся от закона измене­ния модулирующего напряжения. Отсюда видно, что при модуляции смещением неизбежны искажения: закон изменения I₁ отличается от формы напряжения . Искажения могут быть достаточно малыми при правильном выборе пределов изменения угла отсечки и работе с неслишком глубокой модуляцией (40—50%).