116_el_lect_rpru (Частотные детекторы и ограничители амплитуды)

Частотные детекторы (ЧД)Применяются для детектирования частотно-модулированных (ЧМ) колебаний или в качествеизмерительного (чувствительного) элемента в системах АПЧ. Обычно при этом ЧМколебания преобразуются в амплитудно-модулированные (АМ), фазо-модулированные (ФМ),либо импульсно-модулированные (ИМ), и затем принимается соответствующий детектор.Основные характеристики:1) Детекторная -вых ЧД∆ , полоса пропускания2) Крутизна детекторной характеристики3) Коэффициент передачи4) Входное сопротивлениевходная проводимость5) ИскаженияЧДвых ∆вхпри ∆махмахВвых∆Гцмахвх ,выходное сопротивление вых ,вх выходная проводимость выхЧастотные детекторы с преобразованием ЧМ АМПринцип действия такого детектора основан на том, что при прохождении ЧМколебания через колебательный контур, оно преобразуется в АМ, т.к.

напряжение наконтуре зависит от частоты. Подавая напряжение с выхода колебательного контура наамплитудный детектор, получим выходное напряжение зависящее от изменениячастоты.Чтобы преобразование было линейным, то естьнапряжение на колебательном контурелинейнозависело от частоты, надо использовать линейныйучасток ската резонансной характеристики контура.Мгновенноезначениевыходногонапряжениясоответствует ЧМ, но амплитудный детектор подавляетнапряжение высокой частоты, выдавая напряжение,пропорциональное огибающей, то есть изменениючастоты.Тогда схема такого простейшего частотного детектора, вместе с резонансным усилителем,являющимся последним каскадом УПЧ, будет такой:Коэффициент усиления усилителя:| |эквгде- обобщенная расстройка ∆эквэкв На входе амплитудного детектора напряжение должно быть таким, чтобы он был линейным,тогда напряжение на выходе амплитудного детектора : выхКрутизнаЧДДвыхвхДДвхвх  Такой простейший частотный детектор применяют, только при узкополосной ЧМ, т.к.

он необеспечивает высокой линейности и крутизны детекторной характеристики. Обычноиспользуют двухтактную (балансную) схему частотного детектора (частотныйдискриминатор), обладающую лучшими характеристиками.Как следует из изложенного, такой ЧД чувствителен к паразитному изменению амплитудыЧМ сигнала, которая может сопровождать частотную модуляцию или возникать за счетизменения п или коэффициента усиления каскадов до детектора. Это может приводить кискажениям сигнала на выходе ЧД. Чтобы этого избежать на входе ЧД ставят ограничительамплитуды (ОА).Ограничители амплитудыВ общем случае ограничителям называется нелинейный четырехполюсник, выходноенапряжение которого остается постоянным, если входное напряжение оказывается поабсолютной величине больше некоторого значения, называемого порогом ограничения.Мы будем рассматривать резонансные, (то есть инерционные) ограничители, в составкоторых входит нелинейный безынерционный элемент и резонансный фильтр,выделяющий спектральную зону выходного процесса в области центральной частотывходного сигнала.

Таким образом, в ограничителе амплитуды практически не происходитизменения формы высокочастотного заполнения входного амплитудно-частотногомодулированного квазигармонического колебания. В идеальном случае онопревращается в частотно-модулированное колебание с сохранением закона частотноймодуляции и устранением паразитной амплитудноймодуляции.Включение ограничителя амплитуды перед частотным илифазовым детектором устраняет зависимость детекторныххарактеристик от амплитуды входного сигнала. Этонеобходимо в приемных устройствах ЧМ сигнала, если самчастотный детектор чувствителен к изменениям амплитуды.Идеальная амплитудная характеристика ограничителя итипичная реальная характеристика показаны на рисунке 1.При достижении амплитудой входного напряжения порогового значения ВХ пор ,коэффициент передачи ОА резко падает.

При изменении входного напряжения в широкихпределах ВХ порВХ мах амплитуда выходного напряжения изменяется мало.∆ вхКачество работы ОА можно оценивать коэффициентом ограниченияОГ∆ выхвх порвых порУвеличить коэффициент ограничения можно за счет каскадного соединения ограничителей.Сама величина порога ограничения является одним из основных качественных показателейограничителя амплитуды, т.к. определяет его работоспособность при малых амплитудах.

Длясоздания ОА используются эффекты насыщения и отсечки тока в транзисторах илишунтирующее действие диодов, внутреннее сопротивление которых зависит отприложенного напряжения.Транзисторные ограничители амплитудыПростейший транзисторный ОА практически неотличается от обычного резонансного усилителя. Дляпридания транзистору более четко выраженныхнелинейных свойств, напряжение на коллекторепонижено по сравнению с нормальным рабочимзначением. Это достигается за счет увеличения (посравнению с обычным) сопротивления резистора ф .Напряжение на базе также меньше нормального.Работа ограничителя иллюстрируется рисунком:Здесь 1 – нагрузочная характеристика по постоянному току,проведенная под угломф2 – нагрузочная характеристика по переменному току,проведенная под угломэквгдеэкв-эквивалентное резонансное сопротивление нагрузочногоконтура.

Если амплитуда входного напряжения такова, чтопревышает размах (см. рисунок), то начинается отсечка токаколлектора «снизу» и насыщение «сверху». При увеличенииамплитуды входного напряжения углы отсечки такжеувеличиваются, а амплитуда коллекторного тока стремится к⁄, где– размах импульсоввеличинекколлекторного тока. При этом зависимость выхк ⁄ экв отамплитуды входного напряжения имеет вид амплитудной характеристики ограничителя (см.рисунок). Пороги ограничения имеют порядок десятых долей вольта. Можно не ставитьбазовый делитель, тогда угол отсечки снизу будет ⁄ , порог ограничения увеличится, акоэффициент ограничения уменьшится.

Ограничитель напряжения можно построить надифференциальном усилителе и операционном усилителе, где за счет большогокоэффициента усиления при достаточно малых амплитудах на входе, получается ограничениетока за счет отсечки. Напряжение на выходе будет иметь синусоидальный характер, за счетрезонансных свойств нагрузки.Диодные ограничителиДиоды используются в ограничителях амплитуды, за счет свойства сильно менять своесопротивление при изменении напряжения, приложенного к его электродам. Обычноиспользуется параллельное соединение диодов с нагрузочным контуром усилительногокаскада.Параллельно нагрузочному колебательномуконтуру K подсоединены диоды Д1 и Д2,запертые одинаковым напряжением оп .Приположительныхполуволнахнапряжения превышающих оп открываетсядиод Д1, а при отрицательных Д2.

Токичерез диоды имеют вид косинусоидальныхимпульсовсугломотсечкиоп ⁄ вых . Они тем больше, чембольше амплитудаТок к уменьшается, токииувеличиваются.вых .То есть с ростом вых происходит перераспределение тока первой гармоники междуконтуром и цепью диодов, что компенсирует рост тока к за счет увеличения напряжениявых . Амплитудная характеристика принимает характерный вид, показанный на рисунке 1.Таким образом, после превышения амплитудой вых порога о рост вых резко замедляется.Частотный дискриминатор с расстроенными контурамиКонтуры настроены на частоты и , одинаково расположенные по обе стороны от .Выпрямленные напряжения амплитудных детекторов, присоединенных к контурам,включены встречно и выходное напряжение образуется как разность выпрямленныхнапряжений вых Двых Д .Формирование детекторной характеристики ясно из рисунка 2.

Напряжение на выходечастотного детектора равно разности напряжений на выходах АД1 и АД2, т.е.вых ЧДвыхвыхДвхвхДля симметричности характеристики нужно, чтобыэквэкв,НН,НН,ДДи. вых ЧДДвхДвхДгдевхэквД  ∆экв∆эквобобщенная текущая расстройкаобобщенная начальная расстройка0,5 максимумы детекторной характеристики совпадают с максимумами резонанснойПрии ∆ ЧД∆ .характеристики контуров, тогда:Характеристика линейна на 2/3 – от∆ ЧД , только в этой области ее можно использовать длядетектирования ЧМ колебания.

Для этого участка детекторная характеристика:вых∆вх∆ЧДСн∆где ∆ – текущая расстройка частотыКрутизна и коэффициент детектирования частотного детектора возрастают с увеличением∆ и с увеличением добротности контуров. На практике желательно, чтобы расстройка была в. . , при больших значениях нарушается линейность в начале характеристики, а ЧДдиапазонеувеличивается очень медленно.Частотный детектор со связанными контурами(или частотно-фазовый детектор)Напряжение на входах АМ детекторов естьгеометрическая сумма полного напряжения напервом контуре подаваемого на диоды синфазно(в среднюю точку ) и половины напряженияна вторичном контуре, подаваемого на диоды впротивофазе за счет магнитной связи.Коэффициент связи равен:экв св ,свт.к.св.внЧтобы схема была симметричной (для симметрии и детекторной характеристики), следуеткак можно лучше выполнить среднюю точку у катушки L , выбирать одинаковые диоды и,, ДДД .