Амплітудне детектування - студопедія

8.4.1. Загальні відомості про детектировании

Детектування (демодуляція) - це процес перетворення високочастотного модульованого коливання в напругу (або струм), яке змінюється за законом модуляції. Цей процес реалізують пристрої, які називаються детекторами.

Детектор формує на виході сигнал, закон зміни якого повторює закон зміни переданого модульованим коливанням повідомлення. Залежно від виду модуляції, яка використовується передавальним пристроєм (амплітудна, частотна або фазова), в приймальному пристрої виконується амплітудне, частотне або фазовий детектування. Детектор реалізує процес, зворотний процесу модуляції. Тому його називають іноді демодулятором.

Функціональне призначення детектора свідчить, що він здійснює спектральне перетворення вхідного сигналу. Сутність цього перетворення полягає в тому, що вхідний модульований сигнал з вузькосмуговим спектром в області високих частот перетворюється у вихідний сигнал, що модулює зі спектром в області низьких частот. Тому процес детектування при будь-якому вигляді модуляції можна реалізувати тільки за допомогою нелінійних або параметричних кіл.

Структура детектора в разі використання нелінійного елемента представлена ​​на рис. 8.11

. при амплітудної модуляції;

. при фазової модуляції;

. при частотної модуляції,

Мал. 8.11. Структурна схема детектора

Нелінійний елемент здійснює перетворення спектру вхідного сигналу. Фільтр низької частоти виділяє необхідні складові спектра модулюючого сигналу.

8.4.2. амплітудний детектор

Амплітудний детектор формує сигнал, що співпадає по формі з обвідної вхідного амплітудно-модульованого коливання. Процес детектування будемо розглядати для АМ-сигналу з тональної модуляцією, тобто для вхідного сигналу виду

Вихідний сигнал детектора повинен бути рівний

Практична схема амплітудного детектора приведена на рис. 8.12, а.

Мал. 8.12. Функціональна схема амплітудного детектора і ВАХ діода

Як нелінійний елемент використовується діод, характеристика якого (рис. 8.12, б) має нелінійний (ОА) і лінійний (АВ) ділянки. Фільтром низької частоти є паралельно включені ємність і опір навантаження детектора. Амплітудно-частотна і фазочастотная характеристики фільтра розглянуті в п. 5.4.

Фізичні явища в схемі амплітудного детектора пояснимо, користуючись схемою детектора (рис. 8.12, а), графіками вхідного і вихідного напруг (рис. 8.13, а).

Мал. 8.13. Вхідний і вихідний напруги детектора

Вхідна напруга докладено до анода діода. Напруга на конденсаторі, яке по суті є вихідним напругою, докладено до катода діода. Через діод протікає струм в тому випадку, якщо напруга на аноді більше, ніж напруга на катоді.

В інтервалі часу, коли поточне значення напруги на вході більше, ніж напруга на конденсаторі (від точки до точки. См. Ріс.8.13, а), діод відкритий, через нього протікає струм і конденсатор заряджається цим струмом (з невеликим відставанням від зростання вхідного напруги).

В інтервалі часу, коли поточне значення стає менше напруги на конденсаторі (точка. См. Ріс.8.13, а), потенціал анода діода стає менше потенціалу катода, що призводить до закриття діода. Конденсатор починає повільно розряджатися через великий опір фільтра. Процес розряду триває протягом всього часу закриття діода (до точки), при цьому напруга на конденсаторі, а значить, і на виході детектора зменшується. Починаючи з точки. процес повторюється.

Внутрішній опір відкритого діода значно менше опору фільтра. Тому заряд конденсатора відбувається швидше, ніж розряд, і конденсатор заряджається в кожному напівперіод вхідної напруги майже до його амплітудного значення. Отже, напруга на конденсаторі, а значить, і вихідна напруга повторює за формою огибающую вхідного сигналу з певним рівнем пульсацій.

Величина пульсацій визначається якістю фільтрації і залежить від постійної часу фільтра. тобто від часу заряду і розряду конденсатора. Для того щоб детектування відбувалось з мінімальними спотвореннями, потрібне дотримання певної умови, що зв'язує постійну часу фільтра з періодом несучого коливання і періодом модулюючого сигналу. Ця умова має вигляд. При недотриманні хоча б одного з цих нерівностей напруга на конденсаторі не збігається за формою з обвідної вхідного сигналу (рис. 8.13, б)

Залежно від амплітуди вхідного сигналу і виду характеристики нелінійного елемента розрізняють два режими детектування: квадратичний (режим слабких сигналів) і лінійний (режим великих сигналів). У першому режимі робота детектора відбувається в межах нелінійного ділянки його характеристики, що апроксимується поліномом другого ступеня. У другому режимі робота детектора відбувається на лінійній ділянці характеристики, що дозволяє застосувати кусочно-лінійну апроксимацію.

а. квадратичне детектування

При малому вхідному сигналі (десятки мілівольт) робота детектора відбувається в межах нижнього згину вольт-амперної характеристики нелінійного елемента (рис. 8.14, а), яка з достатньою для практики точністю апроксимується поліномом другого ступеня.

Мал. 8.14. Квадратичне (а) і лінійне (б) детектування

Якщо на вхід детектора в цьому режимі надходить амплітудно-модульований сигнал виду. то струм нелінійного елемента дорівнює

Високочастотні складові з частотами і не проходять через низькочастотний фільтр на виході детектора. Корисна інформація міститься в низькочастотної складової, рівної. Пропорційність цієї складової квадрату обвідної амплітудно-модульованого сигналу визначило назву детектора в цьому режимі - квадратичний детектор.

Для АМ-сигналу з тональної модуляцією низькочастотна складова спектра струму дорівнюватиме.

В отриманому виразі спектральні складові розташовані в порядку зростання їх частот. Серед них є складова з частотою. яка повинна бути виділена низькочастотних фільтром.

Для виділення цієї складової низькочастотний фільтр повинен бути вузькосмуговим. Якщо ж модуляція тонально, і частота модулюючого сигналу змінюється в межах від до. то фільтр повинен мати смугу пропускання. тобто бути смуговим низькочастотних фільтром.

Постійна складова струму фільтрується за допомогою розділового конденсатора, що включається послідовно в ланцюг після детектора. Складова з частотою обумовлює нелінійні спотворення корисного сигналу, які тим більше, чим більше коефіцієнт модуляції і менше постійна часу фільтра.

Ступінь нелінійних спотворень прийнято характеризувати коефіцієнтом нелінійних спотворень, який визначається виразом

де - амплітуди гармонійних складових струму нелінійного елемента.

В даному випадку.

Отже, коефіцієнт нелінійних спотворень квадратичного детектора при детектуванні АМ-сигналу з тональної модуляцією залежить від коефіцієнта модуляції. Для малих коефіцієнт нелінійних спотворень невеликий, для він може досягти величини 0,25, що представляє собою значну величину. Зменшення глибини модуляції з метою зниження спотворень не вигідно з енергетичної точки зору.

При детектуванні квадратичним детектором складного сигналу спектр струму нелінійного елемента буде містити комбінаційні частоти в низькочастотної частини спектра, які будуть пропускатися смуговим фільтром низької частоти. Це призведе до збільшення спотворень корисного сигналу.

Таким чином, вихідний сигнал детектора при роботі в режимі слабких сигналів пропорційний квадрату амплітуди АМ-сигналу. Саме тому, а також з-за значних нелінійних спотворень уникають такого режиму детектування в прийомних трактах, застосовуючи посилення до детектора.

У разі необхідності детектування слабких сигналів застосовують детектори, побудовані на основі операційних підсилювачів (ОУ).

Такі детектори (рис. 8.15, а) виконують операції детектування і посилення. Операційний підсилювач інвертує і підсилює вхідний напруга. Тому під час позитивних напівперіодів діод відкритий, а діод закритий. Завдяки цьому, напруга. а вихідна напруга підсилювача відсутній, тобто . Під час негативних напівперіодів діод закритий, а діод відкритий. При цьому вихідна напруга підсилювача дорівнює. Воно являє собою інвертовані і посилені негативні напівперіоди вхідної напруги (рис. 8.15, б).

Мал. 8.15. Амплітудний детектор на ОУ

Якщо на вхід детектора надходить напруга АМ-сигналу, то в спектрі є низькочастотні складові, які забезпечують формування на виході низькочастотного фільтра сигнал. за формою збігається з модулюючим сигналом.

б. лінійне детектування

Нелінійні спотворення, властиві квадратичним детектору, можуть бути зменшені, якщо детектор буде працювати з використанням лінійної частини характеристики діода. При цьому принципова схема лінійного детектора нічим не відрізняється від схеми квадратичного детектора. Тільки амплітуда вхідної напруги повинна бути такою (близько 1 ... 1,5 В), щоб робоча ділянка розташовувався на лінійній ділянці характеристики нелінійного елемента (див. Рис. 8.14, б). При цьому можна скористатися кусочно-лінійною апроксимацією характеристики діода.

Як видно з малюнка, струм діода є періодичну послідовність імпульсів, модульованих по амплітуді. Напруга на виході детектора створюється тільки постійної складової струму, яка в даному випадку не буде постійною в повному розумінні цього слова. Вона буде змінюватися за законом модуляції вхідного сигналу. Таким чином, вихідний сигнал детектора дорівнюватиме

З огляду на, що вхідний АМ-сигнал дорівнює і за умови, що кут відсічення є постійною величиною (це буде показано нижче), отримуємо

Таким чином, вихідна напруга детектора в цьому режимі лінійно залежить від амплітуди вхідного сигналу, якщо кут відсічення - постійна величина. Звідси і назва детектора - лінійний детектор.

Покажемо, що величина кута відсічення визначається тільки параметрами детектора і не залежить від амплітуди вхідного сигналу.

З огляду на (8.2), отримуємо

В свою чергу, . Звідси

Прирівнявши (8.3) і (8.4) і розділивши праву і ліву частину на. отримуємо

Крутизна ВАХ діода - це по суті величина, зворотна внутрішньому опору відкритого діода. Таким чином, дане рівняння дозволяє визначити графічну залежність відносини від кута відсічення (рис. 8.16).

Мал. 8.16. Вплив кута відсічення на вибір опорів і

З графіків і отриманого виразу випливає, що кут відсічення не залежить від амплітуди вхідного сигналу. Його величина визначається тільки величиною твори. Чим менше кут відсічення, тим більше відношення. Даний результат використовується для визначення параметрів фільтра і діода.