Частотне і фазовий детектування

Вхідний радіосигнал представимо у вигляді

Для зняття небажаної AM обов'язкове застосування амплітудного обмеження. Тоді на вході власне частотного детектора (ЧД) напруга буде

Напруга на виході ЧД має відтворювати закон зміни миттєвої частоти радіосигналу. Тому для ідеального ЧД отримуємо такі функціональні співвідношення:

де - крутизна характеристики детектора, виражена У вольтах на одиницю кутовий частоти [формула (8.59)] або в вольтах на герц [формула (8.60)].

Передбачається, що, а отже, і є «повільними» функціями часу. Для виділення повідомлення з ЧС коливання, спектр якого складається тільки з високочастотних складових (несуча частота і бічні частоти модуляції), необхідно нелінійне пристрій. Отже, частотний детектор обов'язково повинен включати в себе нелінійний елемент. Однак в цьому випадку на відміну від амплітудного детектора для освіти частот повідомлення одного лише нелінійного елемента недостатньо. У § 8.3 було показано, що при впливі ЧС коливання на безінерційний нелінійний елемент в спектрі струму не виникають складові з частотою модуляції. Іншими словами, нелінійність такого пристрою, як діод, проявляється лише при зміні чинного на нього напруги, а не при зміні частоти або в загальному випадку швидкості зміни фази сигналу.

Тому для здійснення частотного детектування потрібні додаткові перетворення. Великого поширення набули, наприклад, частотні детектори, що представляють собою поєднання двох вузлів: 1) виборчої лінійного ланцюга, перетворюючої частотну модуляцію в амплитудную; 2) амплітудного детектора.

Як лінійної ланцюга можна використовувати будь-яку електричну ланцюг, що володіє нерівномірною частотною характеристикою: ланцюги RL, RC, фільтри, коливальні контури і т. Д.

Мал. 8.36. Одноконтурний частотний детектор

Мал. 8.37. До поясненню роботи детектора, представленого на рис. 8.36

У високочастотної техніки великого поширення набули коливальні ланцюги.

Схема частотного детектора, що містить простий коливальний контур, представлена ​​на рис. 8.36. Якщо резонансна частота контуру сміття відрізняєте від середньої частоти модульованого коливання, то зміна амплітуди напруги на контурі повторює в певних межах зміна частоти вхідної напруги (рис. 8.37).

Зміна амплітуди високочастотного напруги за допомогою діода перетвориться в низькочастотна напруга, яке виділяється на апериодической навантаженні RC. Відзначимо попутно, що при точній настройці контуру на частоту сигнал спотворюється: частота зміни обвідної виходить удвічі вище частоти корисної модуляції. У вихідному режимі, т. Е. При відсутності модуляції, робоча точка повинна встановлюватися на схилі резонансної кривої.

Недоліком розглянутої схеми є необхідність настройки контуру на частоту, відмінну від частоти немодулированного коливання. Крім того, резонансна крива одиночного коливального контуру має вельми обмежений лінійний ділянку на схилі.

На рис. 8.38 представлена ​​схема частотного детектора, широко поширена в приймачах частотно-модульованих коливань, а також в пристроях для автоматичного підстроювання частоти генераторів. Вона містить коливальний ланцюг у вигляді двох індуктивно зв'язаних контурів, налаштованих на частоту Напруга високої частоти подається на базу транзистора, а продетектированного напруга на виділяється на резисторах. Котушка індуктивності (дросель) перегороджує шлях току високої частоти. Принцип дії даного детектора пояснюється еквівалентною схемою і векторною діаграмою, представленими на рис. 8.39 і 8.40.

Мал. 8.38. Двоконтурний частотний Детектор

Нехай - напруги на першому і другому контурах, - напруги в точках В і D щодо емітера (землі). Зауважимо, що представляють собою амплітуди високочастотних напруг, прикладених відповідно до діодів

За відсутності модуляції, коли частота вхідної напруги збігається з резонансними частотами контурів, напруга на індуктивності другого контуру зрушено по фазі на 90 ° щодо резонансного напруги

Дійсно, при індуктивного зв'язку двох однакових контурів

Так як при отримуємо

випереджає на 90 °.

Визначимо напруги. З огляду на, що на схемі заміщення (див. Рис. 8.39) середня точка другого контуру приєднана по високій частоті безпосередньо до точки А і, отже, напруга є сумою напруги U і половини напруги, отримуємо

Аналогічно для можемо написати

Модулі напруг однакові і рівні

а фази симетричні щодо фази напруги Відповідна цієї нагоди векторна діаграма представлена ​​на рис. 8.40, а. Так як випрямлені напруги діючі на резисторах, пропорційні амплітудам то результуюча напруга на виході детектора, рівне різниці при резонансній частоті дорівнюватиме нулю.

Розглянемо векторну діаграму напруг при розладі. Нехай частота на вході детектора відхилиться від резонансної частоти на, причому Тоді вектор, відповідний напрузі (див. Рис. 8.40, б), повернеться щодо свого резонансного положення на кут, який визначається виразом

Мал. 8.39. Схема заміщення виборчої ланцюга частотного детектора (до рис. 8.38)

Мал. 8.40. Векторна діаграма напруг (до рис. 8.39)

Замість виразів (8.63) і (8.64) отримаємо

Перший і другий контури зазвичай беруться ідентичними, тому ставлення є коефіцієнтом зв'язку контурів. Крім того, вважаємо.

Вводячи позначення і переходячи до модулів, отримуємо

При визначенні напруги на виході частотного детектора необхідно враховувати, що в процесі частотної модуляції змінюються опору, що вносяться з другого контуру в перший. Тому при незмінній амплітуді струму (проміжної частоти) в ланцюзі колектора напруга змінюється за законом

де - резонансне значення напруги.

Нарешті, випрямлені напруги на виходах двох амплітудних детекторів (див. Рис. 8.38) залежать від кута відсічення 0. Практично можна виходити з умови

З урахуванням диференціального включення навантажень, остаточне вираз для напруги звукової частоти на виході частотного детектора приводиться до вигляду

Залежність для різних значень параметра представлена ​​на рис. 8.41. Помноживши ординати цих характеристик на а абсциси на отримуємо характеристику частотного детектора у вигляді залежності в вольтах від в герцах.

При виборі параметрів контурів і величини зв'язку основною вимогою є забезпечення лінійності характеристики частотного детектора і максимально можливої ​​її крутизни. З цієї точки зору найбільш доцільним є параметр зв'язку при використанні характеристики на ділянці При цьому максимальне значення (а) досягає приблизно 0,25.

Мал. 8.41. Сімейство характеристик двоконтурного частотного детектора:

Як приклад можна порівняти наведені дані з параметрами частотного детектора, який використовується в звуковому каналі телевізійного приймача. Детектор включений на виході підсилювача проміжної частоти, смуга пропускання і розрахований на девіацію частоти Можна тому вважати, що і максимальне значення узагальненої розладу (на піках ЧС)

а максимальне значення

Напруга частоти на вході частотного детектора зазвичай близько до 1 В (з урахуванням амплітудного обмеження). Отже, амплітуда напруги звукової частоти на виході частотного детектора. Таким чином, крутизна характеристики детектора.

З проведеного розгляду видно, що в схемі, представленої на рис. 8.38, здійснюються такі перетворення: 1) девіація частоти вхідного коливання перетворюється в девіацію фази напруги девіація фази напруги (щодо фази перетворюється в амплітудну модуляцію напруг, прикладених до діодів; 3) амплітудне детектування.

Останнім часом стали застосовуватися частотні детектори, в яких перетворення девіації в девіацію фази (при збереженні сталості амплітуди) здійснюється в одиночному контурі, більш простому, ніж система пов'язаних контурів у схемі на рис. 8.38. Потім ЧС коливання, зрушене по фазі на кут також вихідне ЧС коливання перетворюються в меандровий напруги, що надходять на схему збігу (перемножувач). В результаті на виході перемножителя, званого «детектором твори», виходять прямокутні імпульси, тривалість яких змінюється пропорційно кутку, а отже, і девіації ЧМ коливання.

Подальша мініатюризація ЧД досягається при використанні опорного гетеродина в вигляді мультивибратора, який виробляє стабільне меандрового коливання, з яким вихідне ЧС коливання, також перетворене в меандр, порівнюється в фазовому детекторі (перемножителя). В результаті досягається такий же ефект, що і в описаному вище ЧД, але без коливального контуру. Таким чином, повністю виключаються котушки індуктивності і відкривається можливість переходу на інтегральні мікросхеми.

Розглянемо тепер принцип роботи фазового детектора. Нехай фаза високочастотного коливання, що підлягає детектування, змінюється за законом. Якщо таке коливання подати на звичайний частотний детектор, що реагує на вим Енен миттєвої частоти коливання, то напруга на виході детектора

т. e. вихідна напруга буде пропорційно похідної фази вхідного коливання. Звідси видно, що для здійснення фазового детектування можна використовувати звичайний частотний детектор. Необхідно лише доповнити його коректує ланцюгом, що здійснює інтегрування вихідної напруги, т. Е. Ланцюгом з частотної характеристикою виду

Найпростіші інтегрують пристрої описані в § 6.5. Подібний прийом використовується при детектуванні коливань з повільно змінюється фазою, т. Е. Коли похідна фази кінцева (наприклад, при передачі мови). У разі ж стрибкоподібного зміни фази, а також при необхідності порівняння фази прийнятого коливання з фазою опорного (еталонного) коливання застосовуються спеціальні фазові детектори, в яких вихідна напруга пропорційно обвідної напруги, одержуваного при підсумовуванні коливань порівнюваними фазами. Подібні пристрої розглядаються в спеціальних курсах.