Реферат диодные детекторы особенности работы
Обновлено: 02.07.2024
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Процесс получения напряжения (тока), изменяющегося по закону модуляции, из модулированного напряжения высокой частоты называется детектированием. В зависимости от вида модуляции: амплитудной, частотной или фазовой, используемой на передающей радиостанции, в детекторном каскаде радиоприемника должно осуществляться соответственно амплитудное, частотное или фазовое детектирование.
АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Амплитудные детекторы предназначены для преобразования радиосигнала, модулированного по амплитуде (АМС), в напряжение, меняющееся по закону модуляции. Они применяются как основные детекторы принимаемого сигнала, а также как детекторы вспомогательных устройств автоматических регулировок усиления и являются составной частью фазовых и частотных детекторов.
Амплитудное детектирование осуществляется в нелинейных системах, которые состоят из резистивного нелинейного элемента, чаще всего полупроводникового или (реже) вакуумного диода и линейной пассивной цепи z, являющейся нагрузкой детектора.
Принцип действия амплитудного детектора.
Представим детектор в виде четырехполюсника (рис. 13.1, а), на входе которого действует высокочастотное амплитудно-модулированное (AM) напряжение Uвx (рис. 13.1, б). В результате детектирования это напряжение на выходе детектора будет представлять собой пульсирующее напряжение, содержащее постоянную U0 и переменную UFм составляющие (рис. 13.1, в). Форма последней составляющей должна соответствовать форме огибающей входного высокочастотного модулированного напряжения. Процесс детектирования сходен с процессом выпрямления, разница лишь в том, что выпрямленное напряжение на выходе детектора должно сохранять закон изменения амплитуды входного сигнала. Модулированное высокочастотное напряжение на входе детектора есть совокупность трех колебаний с частотами f0, f0 — Fм и f0 + FM. На входе детектора действует спектр частот, границы которого определяются частотами f0 + FMmax и f0— FМmax, при этом ширина полосы частот будет равна двум максимальным частотам модуляции: П = 2FMmax.
На выходе детектора, как видно из рис. 13.1, в, оказываются составляющая модулирующего сигнала и постоянная составляющая.
Ширина спектра частот выходного сигнала по сравнению с входным сигналом уменьшается вдвое и равна Fмmax. Такое изменение спектра частот на выходе детектора может быть при использовании в качестве детектора нелинейной системы, так как линейная система, в которой изменение тока в зависимости от изменения напряжения подчинено закону Ома, не способна создавать токи других частот. На рис. 13.2 приведена схема диодного амплитудного детектора, в которой нелинейным элементом является полупроводниковый диод Д, а нагрузкой диода — параллельная цепь, состоящая из резистора Rн и конденсатора Сн. Нa нагрузке выделяется напряжение звуковой частоты, подаваемое далее на вход усилителя низкой частоты. Емкость конденсатора Сн выбирают такой, чтобы его сопротивление току промежуточной частоты было во много раз меньше сопротивления нагрузки детек-тора RH, а его сопротивление току низкой (звуковой) частоты —значительно больше сопротивления резистора Rн.
Полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными имеют большую крутизну прямой ветви вольт-амперной характеристики при малых амплитудах подводимого напряжения. Достоинством таких диодов является отсутствие цепей накала и расход мощности на накал, большой срок службы, небольшие размеры и масса, малая собственная емкость. Но они имеют и некоторые недостатки: наличие обратной проводимости, нестабильность характеристики и разброс параметров для различных экземпляров диодов одного и того же типа. Кроме полупроводниковых и вакуумных диодов в амплитудных детекторах могут применяться транзисторы и электронные лампы. Детекторы с такими приборами более сложны и дороги и, кроме того, создают большие искажения сигнала, хотя некоторые из них в отличие от диодных детекторов имеют коэффициент передачи напряжения больше единицы. Поэтому в современных приемниках в основном применяются диодные полупроводниковые детекторы.
Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой. На рис. 13.3, а показана реальная вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. На начальном участке зависимость
тока диода от приложенного к нему напряжения имеет экспоненциальный характер и достаточно точно описывается уравнением
где I0 и а — параметры, зависящие от типа диода. При большем токе вольт-амперная характеристика реальных диодов постепенно приближается к линейной. Учет экспоненциального изменения проводимости диода при изменении амплитуды сигнала делает анализ работы детектора очень сложным. Поэтому реальную характеристику диода при входном напряжении, большем 0,2 В, можно заменить идеализированной (рис. 13.3, б) без учета обратного тока, так как у современных полупроводниковых диодов обратная проводимость на 2—3 порядка меньше прямой проводимости.
Рассмотрим работу диодного детектора с помощью графиков рис. 13.4, а—г, предполагая, что на входе детектора действует немо-дулированное напряжение, как это показано на рис. 13.4, а.
В промежутки времени от t1 до t2 (рис. 13.4, г) ток через диод iзар заряжает конденсатор Сн, напряжение на котором будет увеличиваться. В следующую часть периода напряжение на аноде диода отрицательное и ток через диод практически прекращается, и конденсатор разряжается (ток iразр) через резистор Rн. Для детекторов радиосигналов
принимается условие, что RнCн >> Tnp (постоянная времени нагрузки детектора значительно больше периода промежуточной частоты). Поэтому напряжение на конденсаторе за время его разряда уменьшится незначительно. За часть следующего полупериода, когда входное напряжение снова положительно, через диод опять течет ток, увеличивающий напряжение на конденсаторе. Затем напряжение на конденсаторе снова несколько уменьшается. В цепи нагрузки существует динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения на конденсаторе оказывается равным его уменьшению. Эти колебания напряжения на нагрузке при выполнении неравенства RнCн >> Тпр оказываются очень малыми. Поэтому в цепи диода течет ток i0 и напряжение на нагрузке Rн будет содержать большую постоянную составляющую U0 и очень малую переменную составляющую высокой частоты. Постоянное напряжение, как это видно из рис. 13.2, приложено к диоду, при этом на его аноде относительно катода приложено запирающее напряжение. За счет этого ось времени сдвигается влево в область отрицательных значений на величину U0 (рис. 13.4, а), Если на вход детектора будет подан модулированный сигнал mUmω то напряжение U0 будет изменяться в соответствии с законом модуляции, т. е. с увеличением амплитуды входного сигнала будет увеличиваться по сравнению с U0, а при уменьшении амплитуды — станет меньше U0. Так как между напряжениями U0 и Um существует линейная зависимость, то напряжение U0 будет изменяться по тому же закону, что и огибающая входного сигнала, так как постоянная составляющая тока диода I0 будет изменяться по закону модуляции. Этот ток создает на нагрузке Rн падение напряжения, изменяющееся по закону модуляции Uн = UCн = U0 (1 + m cos Ωt).
Основные качественные показатели детектора.
К основным качественным показателям детектора относятся: коэффициент передачи Kd входное сопротивление Rвхd; нелинейные и частотные искажения сигнала Кг, %', Мв; коэффициент фильтрации Кф:
При действии на входе детектора немодулированного ВЧ-сигнала коэффициент передачи детектора равен отношению постоянной составляющей на нагрузке детектора к амплитуде ВЧ-сигнала:
Коэффициент передачи детектора желательно иметь как можно больше. У диодных детекторов он меньше единицы и равен 0,3—0,6 в зависимости от типа детектора и его режима работы.
Так как детектор подключается к контуру УПЧ, то для уменьшения влияния входного сопротивления детектора на его добротность входное сопротивление детектора должно быть как можно больше.
Нелинейные искажения в детекторе возникают вследствие инерционности процессов в нем, из-за нелинейности детекторной характеристики и за счет влияния разделительного конденсатора на выходе детектора, связывающего его с УНЧ.
Частотные искажения в детекторе обусловливаются емкостью конденсатора нагрузки Сн, включаемого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Частотные искажения происходят в детекторе только в области верхних частот.
Коэффициент фильтрации Кф показывает, во сколько раз ослабляется высокочастотное напряжение на выходе детектора по сравнению с напряжением высокой частоты на входе:
Значение Кф должно быть не менее 5.
Схемы диодных детекторов.
В радиоприемных устройствах применяются последовательная и параллельная схемы диодного детектора. Схема последовательного детектора (рис. 13.5) применяется
в основных детекторных каскадах приемника. Последовательной схема называется потому, что диод Д и нагрузка детектора подключены к источнику сигнала последовательно. Сопротивление нагрузки детектора Rн часто делится на две части — на резисторы Rнl и Rн2. Соответственно делится на две части и емкость нагрузки Сн — конденсатор Сн1 и Сн2. Это делается для уменьшения искажений, вносимых детекторным каскадом, и улучшения фильтрации переменной составляющей промежуточной частоты. С резистора Rн2, напряжение низкой частоты подается на вход УНЧ. Для того чтобы постоянная составляющая напряжения U0, выделяющаяся на резисторе Rн2, не подавалась на базу транзистора УНЧ и этим самым не нарушала его режима работы, включается разделительный конденсатор СРазд, который для переменной составляющей звуковой частоты представляет малое сопротивление.
На рис. 13.6 приведена схема параллельного детектора. Его основное отличие от последовательного заключается в том, что диод и резистор нагрузки Rн для токов промежуточной частоты оказываются
включенными параллельно источнику сигнала. Поэтому высокочастотное напряжение Uпр оказывается приложенным не только к диоду Д, но и к резистору нагрузки Rн. В результате высокочастотное напряжение оказывается приложенным к выходу детектора. Для ослабления этого напряжения применяется фильтр RфСф.
Конденсатор Сн в этой схеме включается последовательно в цепь источника сигнала.
Диодный детектор выполнен в виде выносного пробника на высокочастотном измерительном диоде типа 2Д1С и представляющем собой пиковый детектор с закрытым входом, позволяющим производить измерения в цепях с постоянной составляющей. [3]
Диодный детектор служит для преобразования импульсного напряжения, подаваемого на вход вольтметра, в постоянное напряжение, равное по величине сумме положительных и отрицательных амплитуд измеряемого напряжения, а в случае измерения импульсных напряжений одного знака - амплитудному значению напряжения в импульсе. [4]
Диодный детектор служит для преобразования импульсного напряжения, подаваемого на вход вольтметра, в постоянное напряжение, равное практически по величине пиковому значению напряжения в импульсе. [5]
Диодный детектор вносит небольшие искажения в детектируемый сигнал. Однако он эффективно работает при относительно большом ( не менее примерно 1 - 2 в), подведенном к нему напряжении. Поэтому диодное детектирование используется в приемниках, обеспечивающих большое усиление вч сигнала, - главным образом в супергетеродинных приемниках, а также в ряде специальных схем. [7]
Диодный детектор вносит небольшие искажения в детектируемый сигнал. Однако он эффективно работает при относительно большом ( не менее примерно 1 - 2 в), подведенном к нему напряжении. Поэтому диодное детектирование используется в приемниках, обеспечивающих большое усиление вч сигнала, - главным образом, в супергетеродинных приемниках, а также в ряде специальных схем. [11]
Диодный детектор с усилителем постоянного тока для измерения напряжений 0 1 - 150 в, частотой отбОгч до 100 мгц выпрямитель имеет феррорезонансный стабилизатор, может быть включен в сеть 110 - 220 в без переключений. [12]
Диодные детекторы наиболее употребительны в силу того, что они детектируют ВЧ-сигнал практически без искажения. Существуют последовательная и параллельная схемы детекторов. Они отличаются тем, что в первой из них нагрузка детектора включена последовательно с диодом, в то время как в параллельной схеме эта нагрузка параллельна нелинейному-элементу-диоду. [13]
Диодный детектор практически не требует налаживания. Все неполадки могут произойти только из-за неправильного монтажа, пришедшей в негодность лампы или неисправного полупроводникового диода, а также испорченных резисторов и конденсаторов ( о налаживании ЧМ детектора будет рассказано на стр. [14]
Диодный детектор ( Дт) выполнен по простой схеме с АРУ без задержки. В приемниках Селга-402 и Этюд-603 детекторный каскад работает на двух дтгодах по схеме удвоения без согласующего контура. [15]
Если сопротивление диода rд мало по сравнению с сопротивлением резистора R на выходе возникает напряжение, равное амплитуде входного сигнала. Постоянная времени RC подбирается таким образом, что высокочастотная составляющая отфильтровывается и на выходных зажимах действуют только постоянная составляющая и модулирующий сигнал. Постоянную составляющую можно устранить с помощью конденсатора, включенного последовательно с дальнейшей частью тракта, предназначенного для усиления сигнала, полученного в результате детектирования. На рис. 11.9 представлены последовательные этапы получения напряжения, соответствующего огибающей модулированного сигнала.
Рис. 11.9. Формы колебаний при диодном детектировании:
а – амплитудно‑модулированное на входе; б – после одпополупериодного выпрямителя; в – на нагрузке; г – выходное колебание без постоянной составляющей
Пояснения требует определение диодного детектора как линейного. Название происходит от динамической характеристики диода, представленной на рис. 11.10[25].
Рис 11.10. Динамическая характеристика линейного детектора
Эта характеристика является отрезком прямой линии, поэтому выпрямленное детектором напряжение линейно зависит от напряжения, подвергаемого процессу детектирования. Линейная зависимость обоих напряжений имеет место только при больших амплитудах, примерно более полувольта.
При малых амплитудах детектор ведет себя, как описанный выше нелинейный детектор. Следует добавить, что линейный диодный детектор во всем остальном остается нелинейным устройством, поскольку начальная рабочая точка схемы находится в месте излома динамической характеристики диода. Именно эта нелинейность в начале системы координат (при отрицательных управляющих напряжениях ток через диод не протекает) и является фактором, способствующим детектированию.
Какие критерии выбора постоянной составляющей RС‑цепи в диодном детекторе?
Резистор R и конденсатор С в детекторе образуют двухполюсник, характеризующийся определенной постоянной времени RC, зависящей от нескольких факторов. Прежде всего, с точки зрения обеспечения высокого КПД детектирования, определяемого отношением выпрямленного напряжения к амплитуде сигнала высокой частоты, сопротивление резистора R должно быть как можно больше.
По этой же причине как можно больше должна быть емкость конденсатора С (падение напряжения высокой частоты на емкостном сопротивлении будет малым). Однако, с другой стороны, излишне большая емкость конденсатора С приводит к тому, что изменения выпрямленного напряжения не успевают за изменениями модулирующего сигнала, что является источником искажений. В связи с этим принимаются компромиссные значения этих элементов в соответствии с соотношением
где ω – несущая частота; Ω – наивысшая модулирующая частота.
В детекторе радиовещательного сигнала сопротивление резистора R обычно лежит в пределах 0,5–1 МОм, а емкость конденсатора С составляет около 100 пФ, тогда как в широкополосном телевизионном детекторе сопротивление R около 2–4 кОм при шунтирующей емкости около 10 пФ. Очевидно, что во втором случае КПД детектирования меньше.
Детектором называется устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции одного из параметров входного сигнала. Детекторы можно классифицировать по характеру входного сигнала и виду параметра, который подвергается модуляции, по способу выполнения.
Радиосигналы можно подразделить на три основные группы:
– пикового напряжения Uпик;
– длительности импульса tи (широтно–импульсная модуляция (ШИМ));
– времени начала импульса tви (время–импульсная модуляция (ВИМ)).
Для детектирования подобных сигналов используются детекторы радиоимпульсов.
3. Видеоимпульсные сигналы. Модуляция в видеоимпульсах может осуществляться изменением пикового значения (амплитудно–импульсная модуляция (АИМ)), изменением длительности импульса (ШИМ), времени начала импульса (ВИМ и фазо–импульсная модуляция (ФИМ)); возможно изменение комбинации импульсов в группе (импульсно–кодовая модуляция (ИКМ)). Детектирование подобных сигналов осуществляется детекторами видеоимпульсов. Детекторы, реагирующие на пиковое значение, называются пиковыми.
8.2 Амплитудные детекторы
Амплитудным детектором называется устройство, на выходе которого создается напряжение в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала.
Исходный спектр амплитудно–модулированного (АМ) колебания имеет три составляющие: несущее колебание и две боковые. После детектирования спектр содержит постоянную составляющую и модулирующий сигнал. Таким образом, напряжение на выходе АД содержит составляющие частот, которых не было во входном напряжении. Поэтому задача АД не сводится к простой фильтрации с помощью линейной цепи с постоянными параметрами. Новые частотные составляющие могут возникнуть только при прохождении сигнала либо через параметрическую линейную цепь, либо нелинейную цепь. Следовательно, в зависимости от способа выполнения АД можно разделить на синхронные детекторы, использующие линейную цепь с периодически меняющимися параметрами, и детекторы на основе нелинейной цепи.
В зависимости от типа электронного прибора, реализующего нелинейную цепь, АД подразделяются:
В зависимости от того, нелинейность характеристики какого из токов транзистора (коллекторного, базового или эмиттерного) используется для детектирования, транзисторные АД делятся на коллекторные, базовые и эмиттерные, а для полевых транзисторов соответственно стоковые, затворные и истоковые. Однако на практике наиболее часто используются диодные детекторы.
8.3 Синхронные детекторы
В синхронных детекторах под воздействием гетеродина периодически во времени меняются параметры цепи (наиболее часто используется изменение крутизны преобразовательного элемента).
Поскольку к таким устройствам относятся преобразователи частоты, то структурная схема параметрического АД совпадает со структурной схемой преобразователя частоты (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Структурная схема преобразователя частоты
Основное отличие параметрического АД от преобразователя частоты состоит в том, что частоту гетеродина выбирают равной частоте несущего колебания на входе детектора и, таким образом, реализуется нулевая промежуточная частота. Гетеродин должен быть синхронным с сигналом, т.е. частота гетеродина равна частоте сигнала, а фаза колебаний гетеродина совпадает по фазе или противофазная фазе принимаемого сигнала. В силу сказанного, АД такого типа называются синхронными. В преобразователях частоты частота сигнала и гетеродина различны и отличаются на величину промежуточной частоты.
Принцип работы синхронного детектора аналогичен принципу работы преобразователя частоты. Ток на выходе преобразователя при с учетом начальной фазы колебаний гетеродина можно записать:
Из этого выражения следует, что ток iвых содержит составляющие различных частот , 2 и составляющую нулевой частоты. Таким образом, в выходном токе возникают новые частотные составляющие. Составляющая с нулевой частотой является результатом детектирования входного сигнала, выделяемого на апериодической нагрузке детектора. Таким образом, напряжение на выходе синхронного детектора имеет вид:
Для выделения продетектированного сигнала используется фильтр, состоящий из параллельной RнCн цепи. Выходное напряжение синхронного детектора равно:
Амплитудный детектор создает напряжение в соответствии с законом изменения амплитуды входного сигнала. Кроме того, напряжение Uвых зависит от разности фаз
Таким образом, параметрический амплитудный детектор реагирует одновременно на два параметра входного сигнала Uс, fс. Для работы синхронного детектора необходимо, чтобы фазы гетеродина и сигнала совпадали (либо были противофазны), а напряжение на выходе в синхронном режиме равно . При этом имеем .
Если , то и напряжение на выходе . Следовательно, необходима не только синхронность, но и синфазность напряжения гетеродина с напряжением сигнала.
Для реализации синхронности и синфазности гетеродина создается специальная цепь синхронизации, включающая в себя фильтр для выделения несущего колебания Uс, которое подводится к фазовому детектору системы автоматической подстройки частоты гетеродина (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Структурная схема преобразователя частоты с автоматической
Среди основных достоинств синхронного детектора выделим следующие:
– линейность амплитудной характеристик, начиная с очень слабых сигналов;
– частотная избирательность осуществляется за счет изменения параметров выходного фильтра (при этом легко получить узкую полосу пропускания всей системы), а частота настройки синхронного детектора определяется частотой гетеродина.
В радиолокации нашел широкое применение, так называемый, асинхронный режим работы синхронного детектора. В этом случае разность фаз гетеродина и сигнала меняется по случайному закону, в результате чего амплитуда отраженного импульса изменяется в зависимости от разности фаз. Это создает на выходе системы флуктуирующий сигнал по амплитуде, в то время как сигналы от местности приходят с неизменной фазой, а амплитуда сигналов от местных предметов не флуктуирует. Таким образом, удается выделить сигнал от цели на фоне местных неподвижных предметов.
8.4 Диодные детекторы
В качестве нелинейного элемента в этом типе детекторов используются диоды. Различают два типа диодных детекторов:
– АД последовательного типа;
– АД параллельного типа.
Название детекторов определяется включением диода относительно нагрузки. Принципиальные схемы диодных детекторов приведены на рис. 8.3.
На вход амплитудного детектора подается высокочастотный сигнал, промодулированный по амплитуде. На диоде VD происходит нелинейное преобразование сигнала и на нагрузке детектора выделяется продетектированный сигнал Uвых. В ряде случаев для повышения линейности на начальном участке применяются дополнительные источники постоянного смещения Е0.
Рис. 8.3. Принципиальные схемы амплитудных детекторов:
а) последовательного типа, б) параллельного типа
Эпюры напряжений, показывающие процесс формирования выходного сигнала, приведены на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Эпюры напряжений выходного сигнала
В первоначальный момент времени напряжение на конденсаторе нагрузке равно 0, поэтому заряд конденсатора начинается с момента времени t0. К моменту времени t1 напряжение на конденсаторе нагрузочной цепи достигает значения U1. После момента времени t1начинается разряд конденсатора через сопротивление нагрузки детектора. Затем в момент времени t2 начинается новый цикл заряда конденсатора нагрузки, так как высокочастотное напряжение превышает напряжение на конденсаторе нагрузки. Затем процесс заряда и разряда конденсатора нагрузки циклически повторяется.
При анализе АД обычно считают, что диод – безынерционный, а постоянная времени цепи нагрузки много больше периода высокочастотных колебаний. Аналитические методы расчета наиболее полно разработаны для слабых и сильных сигналов. При этом понятие слабого и сильного сигнала относительно и зависит от свойств применяемого нелинейного элемента.
Для случая детектирования слабых сигналов получено выражение для уравнения детекторной характеристики в следующем виде:
Из последнего выражения следует, что детекторная характеристика диодного детектора при слабых сигналах имеет вид квадратичной параболы. Поэтому диодные детекторы слабых сигналов часто называют квадратичными.
Квадратичность детекторной характеристики приводит к значительным нелинейным искажениям АМ–сигнала. Для этого случая коэффициент нелинейных искажений может быть определен по следующей формуле:
где m – коэффициент модуляции принимаемого сигнала.
Поскольку допустимый коэффициент искажений в радиовещании не превышает нескольких процентов (менее 5%), то это налагает ограничения на допустимую глубину АМ–колебания в передатчике (m 0 . Под действием этого тока в индуктивной ветви вторичного контура наводится ЭДС Е, опережающая возбуждающий ее ток на 90 0 . Таким образом, вектор ЭДС Е совпадает по направлению с вектором U1. Под действием этой ЭДС Е в индуктивной ветви Lк протекает ток Iк. Сдвиг по фазе между ЭДС Е и током Iк зависит от расстройки частоты входного сигнала относительно резонансной частоты контура f0. Если , то сдвиг по фазе между ЭДС Е и током Iк равен нулю. При неравенстве частот фазовый сдвиг отличается от нулевого значения. При фазовый сдвиг положителен, в противном случае – отрицателен.
Рис. 8.28. Векторные диаграммы
Детекторная характеристика для этого случая на основании приведенных векторных диаграмм представлена на рис. 8.29.
Рис. 8.29. Детекторная характеристика
Как видно из представленного рисунка, детекторная характеристика имеет недостаточно большой линейный участок и на резонансной частоте выходной сигнал не равен 0. Поэтому на практике обычно применяют балансные частотные детекторы (рис. 8.30).
Рис. 8.30. Принципиальная схема балансного частотного детектора
Балансная схема отличается тем, что опорное колебание, снимаемое с первичного контура, подается на среднюю точку катушки индуктивности Lк вторичного контура, таким образом, опорное напряжение на диоды VD1 и VD2 подается в фазе, а фазопромодулировнный сигнал подается в противофазе. Таким образом реализуется балансный фазовый детектор.
Так как нагрузки включены встречно, то напряжение на выходе частотного детектора равно:
Напряжения подаваемые на диоды VD1 и VD2 соответственно равны:
По аналогии с предыдущим случаем векторные диаграммы представлены на рис. 8.31.
Рис. 8.31. Векторные диаграммы
На основании этих векторных диаграмм можно построить детекторную характеристику. При равенстве частоты сигнала и резонансной частоты контура выходное напряжение равно нулю. Если частота сигнала больше резонансной частоты контура, то контур имеет емкостной характер и ток Iк опережает ЭДС Е. В этом случае выходной сигнал отрицательный, так как. . При обратном соотношении частот выходной сигнал положителен. Детекторная характеристика представлена на рис. 8.32.
Рис. 8.32. Детекторная характеристика
Как видно из представленного графика, детекторная характеристика балансного ЧД проходит через нуль на резонансной частоте и имеет высокую линейность в этой области.
Вид и основные параметры частотного детектора на связанных контурах существенно зависят от обобщенного коэффициента связи ( ). На рис. 8.33 представлены детекторные характеристики ЧД на связанных контурах при различных значениях обобщенного коэффициента связи.
Рис. 8.33. Детекторные характеристики ЧД на связанных контурах
Как видно из представленных графиков, при Р > 0,5 положение точек экстремума на оси абсцисс примерно соответствует величине Р, т.е. x = P. Отсюда следует, что полоса пропускания частотного детектора равна произведению обобщенного коэффициента связи на полосу пропускания одиночного контура:
Для обеспечения линейного частотного детектирования коэффициент Р необходимо выбирать из следующих соотношений:
где 2Dfс – ширина спектра сигнала.
8.11 Детекторная характеристика ЧД на линиях задержки
Для преобразования изменения частоты в изменение фазы можно непосредственно использовать линию задержки в качестве фазосдвигающего 4–полюсника. В этом случае K(jw) = exp(-jwt). Идеальная линия задержки имеет линейную фазовую характеристику f(w) = -w t и, следовательно, при прочих равных условиях можно существенно снизить уровень нелинейных искажений. В зависимости от диапазона частот и технологии изготовления линия задержки может быть микрополосковой, коаксиальной, волноводной, на ПАВ (поверхностных акустических волнах) и т.д.
Вид детекторной характеристики в обобщенных координатах ( ) показан на рис. 8.34.
Рис. 8.34. Детекторная характеристика в обобщенных координатах
Полоса пропускания частотного детектора в этом случае определяется по формуле:
Более подробный анализ показывает, что к достоинствам ЧД на линиях задержки следует отнести:
– более широкую полосу пропускания детекторной характеристики по сравнению с ЧД на связанных контурах при одинаковом уровне нелинейных искажений;
– в 3-5 раз меньшее время переходных процессов в виду отсутствия резонансных контуров, что важно при детектировании импульсных ЧМ–сигналов.
При этом заметим, что во избежание появления "изрезанности" детекторной характеристики линия задержки должна быть тщательно согласованной, т.е. не иметь отражений от обоих концов линии задержки.
8.12 Дробный частотный детектор
(частотные детекторы с внутренним ограничением)
Выходное напряжение ЧД пропорционально амплитуде входного напряжения. Поэтому при наличии во входном напряжении паразитной амплитудной модуляции выходное напряжение ЧД будет определяться не только частотой, но и изменением амплитуды. Во избежание этого перед ЧД ставят амплитудный ограничитель. Однако при этом необходимо увеличивать усиление в тракте УПЧ. Кроме того, с ростом частоты (особенно в СВЧ диапазоне) начинают проявляться инерционные свойства ограничителей, что является причиной преобразования паразитной амплитудной модуляции в паразитную фазовую модуляцию, которая создает на выходе ЧД нелинейные искажения полезного сигнала.
Вместе с тем существуют ЧД мало чувствительные к изменениям амплитуды входного сигнала, так называемые ЧД с внутренним ограничением. Одним из таких ЧД является дробный частотный детектор или детектор отношений. Принципиальная схема такого частотного детектора представлена на рис. 8.35.
Рис. 8.35. Принципиальная схема частотного детектора с внутренним ограничением
Фазовое преобразование аналогично предыдущей схеме частотного детектора, но диоды включены разнополярно. Обычно конденсаторы Сн1, Сн2 и резисторы R1, R2 выбирают одинаковыми, а постоянную времени C0(R1+R2) выбирают настолько большой, чтобы детекторы на диодах VD1, VD2 проявляли инерционные свойства для самых низких модуляционных частотах ПАМ (паразитной амплитудной модуляции). В этом случае сумма продетектированных напряжений , т.е. практически постоянны при изменении амплитуды входного напряжения.
Из рис. 8.35 следует, что
т.е. формируется детекторная характеристика аналогичная характеристике ЧД на связанных контурах, только с крутизной в 2 раза меньше при прочих равных условиях:
Поскольку , то выходной сигнал зависит лишь от отношения (отсюда и название дробный детектор), при этом числитель и знаменатель одинаково изменяются при колебаниях амплитуды. Это приводит к тому, что выходное напряжение остается практически неизменным при изменении амплитуды входных сигналов. Данному результату можно дать следующее физическое толкование.
Так как сумма напряжений , то при возрастании амплитуды напряжения на входе напряжение на диодах Uд1 и Uд2 также должны возрасти, но поскольку пропорционально изменяются cosq1 cosq2, что повлечет за собой уменьшение входного сопротивления диодных детекторов на диодах VD1, VD2, и,
Читайте также: