7.4. Частотные детекторы

Частотным детектором (ЧД) называется устройство, выходное напряже­ние которого зависит от частоты входного сигнала. Он применяется для детектирования частотно-модулированных колебаний, а также в системах автоматической подстройки частоты и следящих измерителях.

Выражение для частотно-модулированного колебания, как известно, записывается следующим образом:

, (7.114)

где - максимальная девиация частоты.

Вторая форма записи учитывает то обстоятельство, что ЧМ представляет собой разновидность угловой модуляции.

Так как , то:

и

. (7.115)

Параметр m_чм представляет собой максимальное отклонение фазы и называется индексом ЧМ модуляции:

. (7.116)

При ЧМ называется узкополосной, а выражение (7.115) можно представить в следующем виде:

так как при ψ<<1 выполняются соотношения:

,

.

Спектр сигнала с узкополосной ЧМ практически не отличается от спектра АМ сигнала, состоящего из несущей и двух боковых составляющих. Отличие заключается в изменении фазы одной из боковых составляющих на 180 градусов. В результате при ЧМ происходит изменение не только длины суммарного вектора, но и его фазы (рис.7.43). При АМ в результате модуляции происходит изменение длины суммарного вектора без изменения его фазы.

Рис.7.43

Основные свойства ЧД отражает его детекторная характеристика (рис.7.44), которая позволя­ет определить основные параметры ЧД: крутизну и полосу пропускания П_чд.

Рис.7.44

ЧД подразделяются на три группы: частотно-амплитудные, частот­но-фазовые и частотно-временные. В каждой из групп осуществляется преобразование ЧМ в АМ, ФМ и ИМ, соответственно. В результате преобразования изменение частоты приводит к изменению амплитуды, ко­торое детектируется АД.

Структурная схема частотно-амплитудного детектора изображена на рис.7.45. Ограничитель служит для устранения влияния изменения амп­литуды входного сигнала на выходное напряжение ЧД.

Рис.7.45

Простейшая схема однотактного ЧД с расстроенным контуром приведена на рис.7.46. На транзисторе VT собран усилитель-ограничитель. В качестве преобразователя частотно-модулированного колебания в амп­литудно-модулированное используется колебательный контур LC, который расстроен относительно несущей частотно-модулированного коле­бания на величину , благодаря чему является элементом, чувствительным к изменению частоты входного сигнала.

Амплитудный детектор выполнен на VD и R_HC_H. Как видно из рис.7.47, колебательный контур осуществляет преобразование частот­но-модулированных колебаний в колебания изменяющейся амплитуды, при­чем амплитуда пропорциональна девиации частоты , а АД выделяет огибаю­щую напряжения.

Недостатком такой схемы является малый линейный участок АЧХ колебательного контура, что ограничивает возможность детектирования сигналов с большой девиацией частоты. Этот недостаток устраняется в двухтактных ЧД.

Двухтактный детектор с расстроенными контурами содержит два колебательных контура L₁C₁ и L₂C₂ (рис.7.48), которые настроены на f₁ и f₂ соответственно, выше и ниже несущей частоты f входного сигнала (рис.7.49). При повы­шении частоты f входного сигнала относительно f₀, она прибли­жается к частоте f₁ настройки первого контура и отдаляется от резонансной частоты второго f₂.

Рис.7.46

Рис.7.47

Следовательно, напряжение на выходе верхнего плеча увеличивается, а нижнего уменьшается. При этом на выходе ЧД появляется положительный отклик (рис.7.49, правая часть кривой f₀..f₁).

Рис.7.48

Рис.7.49

Если f=f₀ ,то напряжения на обоих контурах одина­ковы и, следовательно, получаемые после амплитудного детектирования напряжения также равны. Тогда разностное напряжение равно нулю (рис.7.49, точка f₀). При понижении частоты f входного сигнала она приближается к резонансной частоте f₂ второго контура, вызывая возрастание напряжения на выходе нижнего плеча и приводя к изменению полярности выходного отклика (рис.7.49, левая часть кри­вой f₀..f₂).

Выходное напряжение детектора равно

, (7.117)

где К_д – коэффициент передачи АМ детектора,

- обобщенная начальная расстройка.

Максимальная крутизна детекторной характеристики имеет место при оптимальной расстройке , что соответствует .

Характеристика двухтактного детектора (рис.7.48) имеет довольно протяженный участок линейного детектирования. Однако это преимущество реализуется только при тщательном подборе частот расстроек контуров.

В детекторах с преобразованием изменений частоты в из­менения фазового сдвига входной ЧМ сигнал подводится к линейной электрической цепи, обеспечивающей линейную зависимость фазы выходного сигнала от частоты. Далее это напряжение подводится либо фазовому детектору (рис.7.50), либо после дополнительного преобразования ФМ-АМ к амплитудному детектору (рис.7.51).

Рис.7.50

Рис.7.51

На рис.7.52 изображена схема ЧД, в котором преобразование ЧМ в ФМ выполняет одиночный колебательный контур. В качестве ФД можно применить ключевой ФД на основе двойного балансного транзисторного перемножителя, выполненного в соответствии с рис.7.35

Рис.7.52

Фазовый сдвиг, вносимый контуром с цепь связи, равен

, (7.118)

где ξ – обобщенная расстройка:

, (7.119)

- девиация частоты.

Считаем, что , тогда

.

При небольших расстройках , поэтому

.

Перемножая и , получаем на выходе ФД результат детектирования

. (7.120)

Поскольку сигналы и сдвинуты относительно друг друга на 90⁰ , такой ФД называется квадратурным. Квадратурное детектирование широко распространено в современных РПрУ. Выпускается много интегральных схем, реализующих этот вид детектирования. В качестве перемножителей в них применяются дифференциальные каскады, работающие в ключевом режиме. В результате осуществляется одновременное амплитудное ограничение и линейное фазовое детектирование.

На рис.7.53 приведен вариант однотактного ЧД с преобразованием ЧМ-ФМ-АМ. Приходящий сигнал индуцирует ЭДС в катушке колебательного контура L₁, и на контуре образуется напряжение U, сдвиг фазы которого зависит от частоты (рис.7.54). Одновременно сигнальный ток создает на катушке связи L_св напряжение U₀, фаза которого относительно тока постоянна в широкой полосе частот. Это позволяет использовать напря­жение U₀ в качестве опорного при детектировании фазы.

Рис.7.53

Рис.7.54

Напряжения U и U₀ суммируются и результат поступает на вход АД. Так как амплитуда суммарного напряжения зависит от сдвига фаз между сигналь­ной (U) и опорной (U₀) составляющими, а сдвиг фаз зави­сит от частоты, то напряжение на выходе АД также зависит от частоты.

При значительных отклонениях частоты сигнала от резонансной про­исходит нарушение линейности детекторной характеристики. Тогда воз­можно улучшение параметров ЧД при переходе к балансной схеме.

Балансный ЧД с двумя связанными настроенными контурами в литерату­ре часто называют фазовым дискриминатором. Он находит широкое приме­нение в технике радиоприема.

Схема дискриминатора показана на рис.7.55 и состоит из ограничите­ля на VT, нагрузкой которого является система двух связанных контуров L₁C₁ и L₂C₂, настроенных на одну и ту же частоту. Для предотвращения появления провала в АЧХ связанной системы контуров и ухудшения линейности дискриминационной характеристики параметр связи между контурами не должен превышать критического значения .

Детекторы включены по балансной схеме. Дроссель L₃ служит для замыкания постоянных составляющих токов диодов. Напряжение U₁ с первичной обмотки контура через емкость С_св связи подается в среднюю точку вторичного контура и на диоды VD₁ и VD₂ в фазе, а напря­жение со вторичной обмотки - в противофазе. При этом выполняются соотношения: и .

Построим векторные диаграммы напряжений и токов в схеме. Вначале рассмотрим случай, когда частота сигнала равна частоте настойки контуров (рис.7.56,а).

Рис.7.55

Рис.7.56

Ток в катушке L₁ отстает от напряжения U₁ на первичном контуре на . Этот ток наводит во вторичной обмотке э.д.с. , отстающую от тока на . Так как вторичный контур настроен на частоту сигнала, то ток в этом контуре совпадает по фазе с э.д.с. . Ток создает на индуктивности вторичного контура падение напряжения , опережающее ток на . Производя необходимые геометрические построения для нахождения сумм и , получаем, что напряжения на диодах и равны. Выходные напряжения детекторов на нагрузках и также равны по амплитуде и противоположны по знаку, следовательно выходное напряжение дискриминатора равно нулю.

Если частота сигнала выше резонансной частоты контуров, то ток будет отставать по фазе от э.д.с. (7.56,б). Напряжение по-прежнему опережает ток на . В результате суммарные вектора и не будут равны друг другу. Выходное напряжение дискриминатора в этом случае будет отрицательным.

Если частота сигнала ниже резонансной частоты контуров, то ток будет опережать по фазе э.д.с. (7.56,в). Напряжение по-прежнему опережает ток на _, а выходное напряжение дискриминатора в этом случае будет положительным.

Частотный детектор отношений или дробный детектор (рис.7.57) за счет наличия внутреннего ограничителя амплитуды позволяет добиться ослаб­ления паразитной амплитудной модуляции на 20 - 30 дБ по сравнению с модуляцией входного сигнала. В нем также происходит промежуточное преобразование ЧМ в ФМ и детектирование с помощью АД.

Рис.7.57

Отличительной особенностью является последовательное включение диодов и наличие конденсатора большой емкости C_н3, участвующего в процессе подавления амплитудной модуляции. Конденсатор C_н3 выбирается таким образом, чтобы сумма напряжений (U_сн1+U_сн2) оставалась постоянной.

При f=f₀ выходное напряжение ЧД U_вых=0. С физической точки зрения это объясняется тем, что при равных амплитудах напряжения на диодах постоянные составляющие токов, проходящих через R_н3, равны, но имеют противоположное направление.

При изменении частоты сигнала происходит изменение соотношения выходных напряжений детекторов при постоянной их сумме, что вызывает изменение величины тока каждого детектора через резистор R_н3. Если токи не равны, то на резисторе появляется напряжение, амплитуда и полярность которого соответствует величине и знаку изменения f относительно f₀ .

Принцип подавления нежелательной АМ модуляции сигнала на входе дробного детектора заключается в следующем. Напряжение на конденсаторе C_н3 из-за его большой емкости не может изменяться быстро. При появлении на входе детектора кратковременных изменений амплитуды сигнала угол отсечки диодов возрастает или уменьшается. Это приводит к уменьшению или увеличению входного сопротивления диодов. Соответственно изменяется эквивалентное сопротивление колебательного контура, что вызывает соответствующие изменения и стабилизацию уровня сигнала на нем.

Структурная схема частотного детектора с преобразованием в импульсно-модулированный сигнал представлена на рис.7.58.

Рис.7.58

Диаграммы, поясняющие принцип действия приведены на рис.7.59. Преобразователь ЧМ в ИМ содержит двухсторонний ограничитель, дифференциатор и односторонний ограничитель с формирователем коротких прямоугольных импульсов. На выходе этого преобразователя формируется последовательность одинаковых импульсов с постоянной амплитудой U_m и частотой следования, равной частоте входного сигнала. Постоянная составляющая на выходе интегратора равна

. (7.121)

Учитывая, что T=1/f, получим

. (7.122)

Таким образом, выходное напряжение оказывается прямо пропорциональным частоте сигнала и воспроизводит закон частотной модуляции без искажений. Данный детектор называют ЧД счетного типа, так как он основан на принципе подсчета числа переходов входного напряжения через нуль.

Рис.7.59

Достоинства детектора счетного типа:

высокая линейность детекторной характеристики;

хорошее подавление нежелательной АМ на входе;

возможность реализации в интегральном исполнении без катушек индуктивности.

В заключение следует отметить, что ЧМ и ФМ являются взаимосвязанными видами модуляции сигналов. При наличии ЧД всегда можно осуществить с его помощью детектирование сигнала с ФМ (7.60,а)

. (7.123)

После частотного детектора выделяется низкочастотная составляющая

. (7.124)

После интегратора получаем

. (7.125)

При наличии ФД всегда можно осуществить с его помощью детектирование сигнала с ЧД (7.60,б)

. (7.126)

После фазового детектора выделяется низкочастотная составляющая

. (7.127)

После дифференциатора получаем

.(7.128)

Рис.7.60

Для частотного детектирования может быть применена система ФАПЧ (рис.7.61).

Рис.7.61

Входной сигнал системы ФАПЧ является в данном случае сигналом с ЧМ:

. (7.129)

Частота генератора, управляемого напряжением, с точность до фазы подстраивается под частоту входного сигнала, поэтому

, (7.130)

так как ,

где - крутизна характеристики управителя ГУНа.

В результате напряжение управления U_у, которое и является выходным напряжением ЧД на основе петли ФАПЧ, определится в соответствии с выражением

. (7.131)