Надольский А.Н. Теоретические основы радиотехники (2005) (1151788), страница 37
Текст из файла (страница 37)
8.27,б).абРис. 8.27. Фазовый (а) и частотный (б) детекторыИзвестно, что между частотой и фазой гармонического колебания существует следующая зависимость:td (t ) (t ) и (t ) (t )dt .dt0Поэтому с помощью частотного детектора можно выполнить фазовое детектирование, если выходной сигнал ЧД проинтегрировать. В свою очередь спомощью фазового детектора можно выполнить частотное детектирование, если выходной сигнал ФД продифференцировать (рис. 8.28).Рис.
8.28. Взаимосвязь между фазовым и частотным детекторами8.7.2. Фазовые детекторыВ основу построения фазовых детекторов положено определение разностифаз опорного напряжения uоп (t ) U оп cos 0t и фазомодулированного колебания uвх (t ) U н cos[ 0t (t )] . Напряжение u оп (t ) называют опорным, поскольку отсчет фазы ведется относительно него. Для определения разности фазосуществляется перемножение этих напряжений с последующим выделениемнеобходимых составляющих фильтром низкой частоты.
В качестве перемножителя обычно используют нелинейный элемент (диод, транзистор) с квадратичной характеристикой, благодаря чему в спектре тока этого элемента имеютсясоставляющие, зависящие от разности фаз входных колебаний. Низкочастотныйфильтр, связанный с нелинейным элементом, выделяет эти составляющие (рис.8.29).Рис. 8.29. Структурный состав фазового детектораСхема фазового детектора на диоде и векторная диаграмма, поясняющаяпринцип формирования выходного напряжения, приведены на рис.
8.30.Рис. 8.30. Схема фазового детектораДиод VD и низкочастотный фильтр RC образуют по существу схему, подобную схеме амплитудного детектора. Схема фазового детектора характеризуется тем, что на диод воздействует сумма двух напряжений одинаковой частоты: опорного и фазомодулированного, т.е.uд (t ) U оп cos 0 t U н cos[ 0 t ( t )] .Выходное напряжение ФД будет равно U фд ( ) KU д ( ) , где K – коэффициент передачи низкочастотного фильтра, U д ( ) – амплитуда суммарногосигнала, воздействующего на диод.Величину U д ( ) легко определить по векторной диаграмме2U д ( ) U оп U н2 2U опU н cos .2U фд ( ) K U оп U н2 2U опU н cos .Зависимость выходного напряжения детектора от разности фаз входныхколебаний называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ).
Вид характеристики представлен на рис. 8.31.ТогдаРис. 8.31. Амплитудно-фазовая характеристика ФДНедостатком данной схемы фазового детектора является нелинейностьАФХ, наличие большого количества спектральных составляющих тока нелинейного элемента (в том числе и постоянной составляющей), которые необходимо отфильтровывать. Поэтому такой ФД используется редко.Значительно меньше составляющих в спектре тока балансного фазовогодетектора (рис. 8.32).Рис. 8.32. Схема балансного фазового детектораСхема состоит по существу из двух детекторов на диодах.
Опорное напряжение на диоды поступает в фазе, сигнальное – в противофазе, а выходное напряжение формируется как результат встречного включения выходных напряжений.Для данной схемы на диоды подаются следующие напряжения:uд1 (t ) U оп cos 0 t U н cos[ 0 t (t )] ;uд 2 ( t ) U оп cos 0 t U н cos[ 0 t ( t )] .Амплитуды этих напряжений определяются выражениями22U д1 ( ) U оп U н2 2U опU н cos ; U д 2 ( ) U оп U н2 2U опU н cos .Тогда напряжение на выходе ФД равно22U фд ( ) К U оп U н2 2U опU н cos U оп U н2 2U опU н cos КU оп 1 n 2 2n cos 1 n 2 2n cos , n U н U оп .Таким образом, выходное напряжение детектора зависит не только от разности фаз, но и от амплитуд опорного и сигнального напряжений.
На практикеФД работают обычно при соотношениях n 1 и n 1 .При n 1 выражение для выходного напряжения ФД преобразуется к видуU фд ( ) КU оп 2 1 cos 1 cos 2 KU оп cos sin .22В то же время при n 1U фд ( ) КU оп 1 2n cos 1 2n cos .Графики U фд ( ) при n 1 и n 1 приведены на рис. 8.33. При n 1АФК фазового детектора отличается повышенной линейностью.С позиции спектрального анализа данный факт объясняется тем, что основная часть паразитных составляющих спектра тока нелинейного элементакомпенсируют друг друга (в силу противофазности сигнального напряжения нанелинейных элементах и принципа формирования выходного напряжения в виде разности напряжений низкочастотных фильтров на выходе ФД), что повышает результативность фильтрации.Рис. 8.33.
Амплитудно-фазовая характеристика балансного ФДОпределенными достоинствами обладает схема фазового детектора натранзисторе (рис. 8.34).Рис. 8.34. Схема фазового детектора на транзистореНа транзисторе собран усилительный каскад. В коллекторную и эмиттерную цепи транзистора включены нагрузочные сопротивления R1 и R2 , причемR1 R2 . Нелинейные элементы (диоды VD1 и VD 2 ) имеют общую нагрузку, состоящую из фильтра Rф C ф . Резисторы R6 , R7 – антипаразитные, резистор R8предотвращает шунтирование источника опорного напряжения через емкостьC ф .
С нагрузки усилителя снимаются два напряжения U c1 и U c 2 , равные повеличине, но противоположные по знаку. Опорное напряжение U оп подается надиоды в противофазе (с учетом их встречного включения), а напряжения U c1 иU c 2 – в фазе. Поэтому основные принципы функционирования рассматриваемого и балансного детекторов во многом аналогичны. Детектор достаточно широкополосен, работает в диапазоне частот до 30 МГц. Отсутствие в схеме индуктивностей позволяет выполнить ФД в виде интегральных микросхем.8.7.3. Частотные детекторыНелинейный элемент проявляет свои свойства при изменении напряжения,поступающего на его вход. При этом он практически не реагирует (в спектральном смысле) на изменения таких его параметров, как частота и фаза.
Поэтомунепосредственное преобразование частотно-модулированного сигнала с помощью нелинейных элементов не приводит к формированию тока, в спектре которого содержатся составляющие с частотой модулирующего сигнала. Требуютсядополнительные преобразования ЧМ-сигнала, чтобы в заключение сформировать сигнал, отражающий характер изменения его частоты.Наиболее часто процесс частотного детектирования реализуют в два этапа:преобразование ЧМ-сигнала в сигнал с амплитудной модуляцией и последующее его детектирование с помощью амплитудного детектора (рис. 8.35). Ограничитель устраняет влияние возможного изменения амплитуды ЧМ-сигнала навеличину выходного напряжения детектора.Рис. 8.35.
Структурная схема частотного детектораМожно встретить частотные детекторы, основанные на преобразованиичастотной модуляции в соответствующий сдвиг фаз между двумя колебаниями,которые детектируются фазовым детектором.Наиболее простой является схема частотного детектора с расстроеннымконтуром (рис. 8.36).Рис. 8.36. Схема одноконтурного частотного детектораУсилитель-ограничитель – это резонансный усилитель, транзистор которого работает с пониженным напряжением коллекторного питания. Ограничениепроисходит за счет нижней и верхней отсечек коллекторного тока. В качествепреобразователя ЧМ-сигнала в колебания с изменяющейся по закону модули-рующего сигнала амплитудой служит колебательный контур.
Диодный амплитудный детектор на выходе выделяет огибающую этого колебания.Колебательный контур расстроен относительно несущей частоты входногосигнала на величину , благодаря чему является чувствительным элементомк изменению частоты входного сигнала. Это поясняется рис. 8.37, на которомизображена резонансная характеристика контура по напряжению U к ( ) , изменяющаяся частота входного сигнала (t ) и напряжение U к (t ) , характеризующее изменение амплитуды колебаний в контуре.Рис.
8.37. Преобразование частотной модуляции в амплитуднуюКак видно из рис. 8.37, колебательный контур обеспечивает формированиеколебаний с изменяющейся амплитудой. Закон изменения амплитуды тем точнее повторяет закон изменения частоты входного сигнала (с учетом фазовогосдвига на ), чем прямолинейнее боковая ветвь резонансной характеристикиконтура. Амплитудный детектор выделяет огибающую U к (t ) , формируя выходной сигнал с законом изменения, соответствующим закону частотной модуляции, т.е. сигнал U чд ( ) .Недостатком такой схемы частотного детектора является малый линейныйучасток резонансной характеристики колебательного контура, что ограничиваетвозможность детектирования сигналов с большой девиаций частоты.
Этот недостаток устраняется в балансных частотных детекторах.На рис. 8.38,а приведена схема балансного ЧД с двумя параллельнымирасстроенными контурами.Контуры расстроены на величину относительно резонансной частоты(или частоты несущего колебания) в обе стороны, т.е. р1 0 и р 2 0 . Их напряжения подаются на амплитудные детекторы, которыевключены встречно.
Следовательно, выходное напряжение ЧД будет равно разности выходных напряжений амплитудных детекторов. При этом зависимостьвыходного напряжения ЧД от частоты входного сигнала при его постояннойамплитуде, называемая амплитудно-частотной характеристикой детектора, будет иметь вид дискриминаторной характеристики (рис. 8.38,б).абРис. 8.38. Схема балансного ЧД с расстроенными контурами (а) иего характеристика (б)Особенностью данного ЧД является относительная сложность его настройки с целью обеспечения равенства коэффициентов передачи амплитудных детекторов и параметров усилителей.Используется также балансный детектор со связанными контурами. Он состоит (рис.
8.39) из усилителя, нагрузкой которого является система двух связанных контуров L1C1 и L2C2 . Они образуют двухконтурный полосовой фильтр,настроенный на частоту несущего колебания, с помощью которого осуществляется преобразование частотной модуляции в амплитудную.Рис.8.39. Схема балансного ЧД со связанными контурамиУсилитель работает в режиме амплитудного ограничения. Между контурами установлена индуктивная связь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
