А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Амплитудно- модулированное колебание затем детектируется амплитудным детектором. Недостатком этой схемы является ограниченный диапазон изменения частоты входного сигнала, в котором преобразование частотной модуляции в амплитудную происходит без искажений. Существенно слабее этот недостаток выражен у частотного детектора, называемого фазочастотным дискриминатором.
Его схема показана на рис. 5.19. Детектор содержит два индуктивно связанных резонансных контура Х,С, и Ь,С,, настроенных на несущую частоту ь,. Напряжение с первого контура передается во второй за счет индуктивной связи и, кроме того, через конденсатор С> подается на среднюю точку катушки индуктивности второго колебательного контура. Напряжение со второго контура подается на входы двух амплирис. 5.13. Графическая иллюстрация тУдных детекторов, образованных диодами У0м работы частотного детектора У.0„сопротивлениями нагрузки В„Кг и фильтруюшими конденсаторами С., С,. Общая точка сопротивлений нагрузки через большую индуктивность 1, соединена со средней точкой катушки индуктивности второго колебательного контура. Рис.
5.19. Принципиальная схема фазо-часготного дискриминатора Принимая во внимание, что оба контура настроены на несущую частоту ю, и индуктивно связаны, можно показать. что напряжение 1Г, на первом контуре опережает по фазе на я/2 напряжение 1Гз на втором контуре. Из схемы летектора следует. что на диод. УР, постУпает напРЯжение У,+-',юг. ВтоРое слагаемое вэтом выРажении есть напРЯжение, снимаемое с верхней полоайны катушки Ьг.
На диод УРг поступает напряжение У, — -,1Г,. Второе слагаемое в зточ выражении есть напряжение, снимаемое с ниж- 5.10. Детекти ование ней половины катушки Ь,. Знак "—" отражает то обстоятельство, что напряжение на нижней половине Ь, противофазно напряжению на верхней половине той же катушки. Векторное представление напряжений, поступающих на диоды УР, и УР„показано на рис. 5.20 с учетом того, что напряжения (Г, и (Г, сдвинуты по фазе на —. Векторы г' ОА и ОВ на рис.
5.20 представляют напряжение высокой частоты соответственно на диодах УР, и У.Р,. В В 1,/2ГГз +1/2112 Рис. 5.21. Векторная лимрам- Рис. 5.22. Принципиальная ма напряжений на элементах схема синхронного детектора фазо-частотного дискриминатора на частоте, отличной от резонансной Рис.
5.20. Векторная диаграмма напряжений на элементах фазо-частотного дискриминатора на резонансной частоте Выходное напряжение частотного детектора равно разности выходных напряжений, снимаемых с нагрузок амплитудных детекторов. Диаграмма рис. 5.20 соответствует случаю, когда частота входного сигнала равна несущей частоте ым В этом случае 1ОА! = 1ОВ~ и при полной симметрии схемы на нагрузках обоих амплитудных детекторов будут одинаковые по величине, но противоположные по знаку напряжения, вследствие чего напряжение на выходе частотного детектора будет равно нулю.
Если частота входного сигнала вследствие модуляции отклонится от величины м„ то на векторной диаграмме вектор (Г, повернется относительно своего резонансного положения на угол 1з„определяемый фазовой характеристикой второго колебательного контура, а также величиной и знаком изменения частоты входного сигнала. При этом векторная диаграмма примет вид, показанный на рис. 5.21. Теперь векторы ОА и ОВ имеют различную величину. Следовательно, напряжения на нагрузках амплитудных детекторов также будут отличаться по величине, а выходное напряжение частотного детектора будет отличаться от нуля, причем величина и знак выходного напряжения частотного детектора будут определяться величиной и знаком изменения частоты входного сигнала.
Синхронное детектирование Детектирование может быть осуществлено не только с помощью нелинейных эле- ментов, но и с помощью линейных систем с переменными параметрами, Схема подоб- ного устройства показана на рис. 5.22. В нем генератор напряжения сигнала включен последовательно с элементом, проводимость у которого периодически изменяется во времени, и с сопротивлением нагрузки В, шунтированным емкостью фильтра С. Пусть сигнал представляет собой амплитудно-модулированное колебание и, = (Г (1) соз(ы,1+ р), где 1Г (1) — изменяющаяся амплитуда сигнала, а м, и у — соответственно частота и начальная фаза сигнала. Предположим, что проводимость у изменяется во времени с частотой сигнала ю, по закону 'у = Оо+ Щ) = Оо+ О~ соэюо1, где О, — постоянная составляющая проводимости, О, — ал1плитуда изгяенения прово- димости.
Глава б. П еоб азование сигналов в нелинейных системах 124 Напряжение сигнала вызывает в цепи ток (, который можно найти, используя закон Ома: ( = ди. = (Со + С~ сов мог)У (г) сов(ног + ~р) = С,У (г) 1 = С,У Ясов(ы,(+ (я)+ соз(2м,г+ (с)+ -С,У (г)созср. 2 Как видно из этою выражения, в спектре тока присутствует низкочастотная составляя>шая (н.ч ( („„= -С,У (1)сову, (5.46) которая воспроизводит закон изменения во времени амплитуды сигнала иа входе устройства. Эта составляющая тока создает напряжение на сопротивлении нагрузки. Таким образом, рассматриваемое устройство позволяет осуществить детектирование входного сигнала.
Детектор, работающий по описанному принципу, называют синхронным, так как он позволяет получить на выходе отклик только на ту составляющую входного напряжения, которая изменяется синхронно с изменением проводимости. Пусть, например, на входе синхронного детектора действует гармоническое напряжение в с амплитудой У и частотой ы, отличной от частоты ы, изменения проводимости: и = У созыФ.
(5.47) Напряжение (5.47) можно представить в виде (5.48) с = У сов(ьъС+ р(г)], где (я(Г) = (ы ~'о)г. Это напряжение вызовет в синхронном детекторе ток („„, который можно найти с помощью выражения (5.46) с учетом (5.48). Подставив (5.48) в (5.46), получим С,У („„= — соз(ы — ыр)1. (5.49) с(г) Следовательно, если частота входного сигнала не совпадает с частотой изменения проводимости, то в спектре тока („„, протекающего в нагрузке, не будет постоянной составляющей. Переменные же составляющие (5.49) могут быть отфильтрованы емкостью фильтра. Таким образом, синхронный детектор позволяет выделить из всею спектра сигнала, действующего на входе, лишь компоненты, имеющие ту же частоту, что и частота изменения проводимости.
Это вьщеление может быть осуществлено намного лучше, чем с использованием резонансных систем, так как полоса пропускания фильтра низких частот на выходе синхронноРис 5 чз Гр ~ го детектора может быть сделана существенно уже полосы про пускания резонансных контуров. Высокая селективность синхронного детекто- люстрация ра ра широко используется на практике с целью выделения узкополосных боты синхрон- сигналов из широкополосного шума.
ного летекгора На рис. 5.23 показано векторное представление напряжения сигнала и переменной составляющей проводимости С(1). Вектор У (г). изображающий напряжение сигнача, сдвинут по фазе относительно вектора С(г) проводимости на угол Р. Разложим вектор спгнхча У„,(г) на две ортогоиачьные составляющие. одна из которых ортогональна вектору проводимости, а другая коллинеарна ему. Величина последней равна У„,(г) соыр.
Сравнивая зто выражение и соотношение (5.46), приходим к выводу. что выходное напряжение синхронного летектора пропорционально только той составляющей сигнала. которая коллинеарна вектору проводимости. Составляющая 5.11. Оптическое и а стическое детектирование 125 входного сигнала, ортогональная вектору проводимости, не дает вклада в выходной сигнал синхронного детектора.
Таким образом, синхронный детектор обладает не только частотной, но и фазовой селективностью. Это уникальное свойство синхронного детектора также широко используется на практике, позволяя не только регистрировать синхронную составляющую спектра входного напряжения, но и раздельно измерять ее ортогональные компоненты. Элементы с изменяющимися во времени параметра- Рис. 5.24.
Принципиальная ми реализуются, как правило, либо с помощью электро- схема синхронного детектора с магнитных реле, либо с помощью нелинейных элементов, нелинейным элементом параметры которых периодически изменяются во времени под действием приложенного переменного электрического напряжения. На рис. 5.24 приведена схема синхронного детектора второго типа.
Устройство напоминает амплитудный детектор, но отличается от него тем, что в цепь диода У2) помимо генератора напряжения сигнала и, включен еше генератор немодулированного высокочастотного напряжения в„называемый также гетеродином.
Предположим, что амплитуда сигнала много меньше амплитуды гетеродина. В таком случае можно приближенно считать, что проводимость диода вследствие нелинейности последнего изменяется только под действием большого напряжения гетеродина, а малый сигнал на проводимость диода не влияет. Это значит, что для сигнала диод является линейным элементом, проводимость которого периодически изменяется во времени с частотой гетеродина. С учетом этого данное устройство соответствует эквивалентной схеме, показанной на рис. 5.22, где полупроводниковый диод, находящийся под действием напряжения гетеродина, заменен элементом с периодически изменяющейся проводимостью.
5.11. Оптическое и акустическое детектирование В оптическом диапазоне явление, аналогичное радиочастотному детектированию, становится возможным благодаря нелинейной зависимости поляризации Р среды, в которой распространяется оптическое излучение, от напряженности электрического поля световой волны. Эта нелинейность не проявляется при распространении волн от обычных тепловых источников, так как онн дают излучение низкой интенсивности и напряженность создаваемого ими электрического поля световых волн пренебрежимо мала по сравнению с напряженностью электрического поля, действующего на электроны в атомах.
Квантовые генераторы света позволяют получить излучение с напряженностью электрического поля порядка 10' + 10' В/см, что уже близко к величине Е, напряженности электрического поля, действующего на электроны в атоме (Е, - 10' В/см). Смешение электрона в атоме при действии таких полей нелинейно зависит от величины напряженности электрического поля. Зависимость поляризации Р среды от напряженности Е электрического поля волны может быть представлена в виде ряда. Р = к Е + )(Е + ВЕ +... В разложении (5.50) коэффициенты прн квадратичном, кубичном и последующих членах малы и убывают настолько быстро.
что при интенсивностях излучения, доступных в настоящее время, из всех четных членов разложения (5.50) существенную величину имеет лишь квадратичный. Если в среде распространяется гармоническая волна (5.51) Е(х. 1) = Е сох(~А — йх), 126 Глава 6. Преобразование сигналов в нелинейных системах то она создает поляризацию, которую можно вычислить, подставив (5.51) в (5.50). В результате несложных преобразований найдем, что поляризация среды помимо переменных составляющих с частотами ы, 2ы и т. д. содержит еще постоянную составляющую ЬР„ причем хЕ (ьРо — — —. 2 Таким образом, в нелинейной среде гармоническая волна возбуждает постоянную составляющую поляризации, а следовательно, и постоянное электрическое поле. Это явление называют оптическим детектированием.
Оно отличается от радиочастотного детектирования лишь тем, что в радиодиапазоне высокочастотное напряжение порождает постоянную составляющую тока, а в оптическом диапазоне оптическая волна возбуждает постоянную составляющую поляризации. В отличие от детектирования радиочастотных сигналов оптическое детектирование не используется на практике при приеме информации, передаваемой с помощью оптического излучения. Это объясняется тем, что у известных в настоящее время веществ коэффициент Х при квадратичном члене в разложении (5.50) невелик, и поэтому прямое преобразование энергии световой волны в энергию постоянного электрического поля осуществляется с низкой эффективностью. По этой причине детектирование сигналов в оптических линиях связи осуществляется с помощью существенно более эффективных устройств, а именно: фотоумножителей, лавинных фотодиодов, а в системах ближнего действия — с помощью обычных полупроводниковых фотодиодов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
