Надольский А.Н. Теоретические основы радиотехники (2005) (1151788), страница 34

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 34)

Этот процесс реализуют устройства, называемые детекторами.Детектор формирует на выходе сигнал, закон изменения которого повторяет закон изменения передаваемого модулированным колебанием сообщения. Взависимости от вида модуляции, которая используется передающим устройством (амплитудная, частотная или фазовая), в приемном устройстве выполняетсяамплитудное, частотное или фазовое детектирование. Детектор реализует процесс, обратный процессу модуляции. Поэтому его называют иногда демодулятором.Функциональное предназначение детектора свидетельствует, что он осуществляет спектральное преобразование входного сигнала. Сущность этогопреобразования заключается в том, что входной модулированный сигнал с узкополосным спектром в области высоких частот преобразуется в выходной модулирующий сигнал со спектром в области низких частот.

Поэтому процесс де-тектирования при любом виде модуляции можно реализовать только с помощью нелинейных или параметрических цепей.Структура детектора в случае использования нелинейного элемента представлена на рис. 8.11.sвх (t )  U (t ) cos( 0 t   ) , sвых (t )  k амU (t ) при амплитудной модуляции;sвх (t )  U н cos[ 0 t   (t )] , sвых (t )  k фм (t ) при фазовой модуляции;sвх (t )  U н cos[ 0 t   (t )] , sвых (t )  kчм (t ) при частотной модуляции,k ам , k фм , k чм – коэффициенты пропорциональности.Рис.

8.11. Структурная схема детектораНелинейный элемент осуществляет преобразование спектра входного сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет необходимые составляющие спектрамодулирующего сигнала.8.4.2. Амплитудный детекторАмплитудный детектор формирует сигнал, совпадающий по форме с огибающей входного амплитудно-модулированного колебания. Процесс детектирования будем рассматривать для АМ-сигнала с тональной модуляцией, т.е. длявходного сигнала видаuвх (t )  U н (1  m cos t ) cos  0 t .Выходной сигнал детектора должен быть равенuвых (t )  k aмU н (1  m cos t ) .Практическая схема амплитудного детектора приведена на рис. 8.12,а.абРис. 8.12.

Функциональная схема амплитудного (а) детектора и ВАХ диода (б)В качестве нелинейного элемента используется диод, характеристика которого (рис. 8.12,б) имеет нелинейный (ОА) и линейный (АВ) участки. Фильтромнизкой частоты являются параллельно включенные емкость и сопротивлениенагрузки детектора. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристикифильтра рассмотрены в п.

5.4.Физические явления в схеме амплитудного детектора поясним, пользуясьсхемой детектора (рис. 8.12,а), графиками входного uвх (t ) и выходного uвых (t )напряжений (рис. 8.13, а, б).Рис. 8.13. Входное и выходное напряжения детектораВходное напряжение uвх (t ) приложено к аноду диода. Напряжение наконденсаторе, которое по существу является выходным напряжением, приложено к катоду диода.

Через диод протекает ток в том случае, если напряжениена аноде больше, чем напряжение на катоде.В интервале времени, когда текущее значение напряжения на входе больше, чем напряжение на конденсаторе (от точки A1 до точки B1 , см. рис.8.13,а),диод открыт, через него протекает ток iд и конденсатор заряжается этим током(с небольшим отставанием от роста входного напряжения).В интервале времени, когда текущее значение uвх (t ) становится меньшенапряжения на конденсаторе (точка B1 , см. рис.8.13,а), потенциал анода диодастановится меньше потенциала катода, что приводит к закрытию диода.

Конденсатор начинает медленно разряжаться через большое сопротивление фильтра. Процесс разряда продолжается в течение всего времени закрытия диода (доточки A2 ), при этом напряжение на конденсаторе, а значит, и на выходе детектора уменьшается. Начиная с точки A2 , процесс повторяется.Внутреннее сопротивление открытого диода значительно меньше сопротивления фильтра.

Поэтому заряд конденсатора происходит быстрее, чем разряд, и конденсатор заряжается в каждом полупериоде входного напряженияпочти до его амплитудного значения. Следовательно, напряжение на конденсаторе, а значит, и выходное напряжение повторяет по форме огибающую входного сигнала с определенным уровнем пульсаций.Величина пульсаций определяется качеством фильтрации и зависит от постоянной времени фильтра  ц  RC , т.е. от времени заряда и разряда конденсатора. Для того чтобы детектирование осуществлялось с минимальными искажениями, требуется соблюдение определенного условия, связывающего постоянную времени фильтра с периодом T0 несущего колебания и периодом Tм модулирующего сигнала.

Это условие имеет вид T0   ц  Tм . При несоблюдениихотя бы одного из этих неравенств напряжение на конденсаторе не совпадает поформе с огибающей входного сигнала (рис. 8.13,б)В зависимости от амплитуды входного сигнала и вида характеристики нелинейного элемента различают два режима детектирования: квадратичный (режим слабых сигналов) и линейный (режим больших сигналов). В первом режиме работа детектора происходит в пределах нелинейного участка его характеристики, аппроксимируемой полиномом второй степени.

Во втором режиме работа детектора происходит на линейном участке характеристики, что позволяетприменить кусочно-линейную аппроксимацию.а. Квадратичное детектированиеПри малом входном сигнале (десятки милливольт) работа детектора происходит в пределах нижнего сгиба вольт-амперной характеристики нелинейногоэлемента (рис. 8.14,а), которая с достаточной для практики точностью аппроксимируется полиномом второй степени i  a 0  a1u  a 2 u 2 .Рис. 8.14. Квадратичное (а) и линейное (б) детектированиеЕсли на вход детектора в этом режиме поступает амплитудномодулированный сигнал вида u (t )  U (t ) cos  0t , то ток нелинейного элементаравенi (t )  a0  a1U (t ) cos  0 t  a2U 2 (t ) cos2  0t a2U 2 (t ) a 2U 2 (t )cos 2 0 t .22Высокочастотные составляющие с частотами  0 и 2 0 не проходят черезнизкочастотный фильтр на выходе детектора.

Полезная информация содержитa 2U 2 (t )ся в низкочастотной составляющей, равной iнч (t )  a 0 . Пропорцио2нальность данной составляющей квадрату огибающей амплитудномодулированного сигнала определила название детектора в этом режиме –квадратичный детектор.Для АМ-сигнала с тональной модуляцией u ( t )  U н (1  m cos t ) cos  0 tнизкочастотная составляющая спектра тока будет равнаa2U н2a2U н2a2U н2 222iнч (t )  a0 (1  m cos t )  a0  a2U н m cos t m cos2 t 222a U 2  m2 a 2U н2 m 22 a0  2 н 1 aUmcostcos 2t .2 н2 2 4 a0  a1U (t ) cos  0t В полученном выражении спектральные составляющие расположены в порядке возрастания их частот. Среди них имеется составляющаяiд (t )  a 2U н2 m cos t с частотой  , которая должна быть выделена низкочастотным фильтром.Для выделения этой составляющей низкочастотный фильтр должен бытьузкополосным.

Если же модуляция не тональная и частота модулирующегосигнала изменяется в пределах от  min до  max , то фильтр должен иметь полосу пропускания    max   min , т.е. быть полосовым низкочастотнымфильтром.Постоянная составляющая тока отфильтровывается с помощью разделительного конденсатора, включаемого последовательно в цепь после детектора.Составляющая с частотой 2 обусловливает нелинейные искажения полезногосигнала, которые тем больше, чем больше коэффициент модуляции и меньшепостоянная времени фильтра.Степень нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентомнелинейных искажений, который определяется выражениемгде I1 , I 2 ,..., I kэлемента.I 22  I 32  ...  I k2,I1– амплитуды гармонических составляющих тока нелинейногоВ рассматриваемом случаеI 2 a 2U н2 m 2 m .I1 4a 2U н2 m 4Следовательно, коэффициент нелинейных искажений квадратичного детектора при детектировании АМ-сигнала с тональной модуляцией зависит откоэффициента модуляции m .

Для малых m коэффициент нелинейных искажений невелик, для m  1 он может достичь величины 0,25, что представляет собой значительную величину. Уменьшение глубины модуляции с целью снижения искажений не выгодно с энергетической точки зрения.При детектировании квадратичным детектором сложного сигнала спектртока нелинейного элемента будет содержать комбинационные частоты в низкочастотной части спектра, которые будут пропускаться полосовым фильтромнизкой частоты. Это приведет к увеличению искажений полезного сигнала.Таким образом, выходной сигнал детектора при работе в режиме слабыхсигналов пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала. Именно поэтому, атакже из-за значительных нелинейных искажений избегают такого режима детектирования в приемных трактах, применяя усиление до детектора.В случае необходимости детектирования слабых сигналов применяют детекторы, построенные на основе операционных усилителей (ОУ).Такие детекторы (рис.

8.15,а) выполняют операции детектирования и усиления. Операционный усилитель инвертирует и усиливает входное напряжение.Поэтому во время положительных полупериодов диод VD1 открыт, а диод VD2закрыт. Благодаря этому напряжение u2 (t )  u1 (t) , а выходное напряжение усилителя отсутствует, т.е. u вых (t )  0 . Во время отрицательных полупериодов диод VD1 закрыт, а диод VD2 открыт. При этом выходное напряжение усилителяравно u 2 (t )   ( R2 R1 )uвх (t ) . Оно представляет собой инвертированные и усиленные отрицательные полупериоды входного напряжения (рис. 8.15,б).Рис. 8.15.

Амплитудный детектор на ОУЕсли на вход детектора поступает напряжение АМ-сигнала, то в спектреu2 (t ) имеются низкочастотные составляющие, которые обеспечивают форми-рование на выходе низкочастотного фильтра сигнал u вых (t ) , по форме совпадающий с модулирующим сигналом.б. Линейное детектированиеНелинейные искажения, свойственные квадратичному детектору, могутбыть уменьшены, если детектор будет работать с использованием линейнойчасти характеристики диода.

При этом принципиальная схема линейного детектора ничем не отличается от схемы квадратичного детектора. Только амплитудавходного напряжения должна быть такой (порядка 1…1,5 В), чтобы рабочийучасток располагался на линейном участке характеристики нелинейного элемента (см. рис. 8.14,б). При этом можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристики диода.Как видно из рисунка, ток диода представляет собой периодическую последовательность импульсов, модулированных по амплитуде.

Характеристики

Список файлов книги