Лабораторная работа № 11

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ

11.1. Цель работы

Изучение физических процессов в диодном детекторе при воздействии АМ колебаний, снятие детекторной характеристики и осциллограмм напряжений в различных точках схемы при различных параметрах нагрузки.

11.2. Теоретические сведения

Детектирование является процессом, обратным модуляции, и заключается в выделении модулирующего сигнала, который в неявном виде содержится в модулированном ВЧ колебании.

При детектировании АМ сигнала наиболее широко применяется диодный детектор, НЧ сигнал на выходе которого меняется пропорционально изменению амплитуды входного сигнала.

Схема последовательного диодного детектора приведена на рис. 11.1 и состоит из диода , включенного последовательно с резистором , который зашунтирован конденсатором . Продетектированное напряжение снимается с RC-цепи.

Рис. 11.1

Детектирование немодулированного колебания. Пусть на детектор действует немодулированное колебание

= .

В начальный и последующие моменты времени, когда мгновенное значение входного напряжения больше напряжения на конденсаторе (заштрихованные участки на рис. 11.2), диод открыт и через него проходит ток . Конденсатор заряжается с постоянной времени , где – внутреннее сопротивление открытого диода. Когда мгновенное значение входного сигнала становится меньше напряжения на конденсаторе, диод закрывается и конденсатор разряжается током , протекающим через резистор . Постоянная времени разряда .

После окончания переходного процесса (рис. 11.2, а) в схеме установится стационарный режим (рис. 11.2, б), при котором среднее значение тока диода будет равно среднему значению тока через сопротивление ( ).

К диоду приложено напряжение

. (11.1а)

a б

Рис. 11.2

Амплитуда напряжения на диоде

= , (11.1б)

где – коэффициент передачи детектора. Обычно , а потому .

Таким образом, в прямом направлении к диоду приложено небольшое напряжение по отношению ко входному и диод работает на начальном участке ВАХ (рис. 11.3), который аппроксимируется кусочно-линейной зависимостью вида

с начальным напряжением .

Ток диода , имеющий вид последовательности импульсов, может быть представлен рядом Фурье

.

Рис. 11.3

Параметры и выбирают так, чтобы выполнялось условие

. (11.2)

При этом все высокочастотные составляющие тока замыкаются через большую емкость конденсатора . Падение напряжения на нагрузке создает практически только нулевая составляющая тока :

. (11.3)

Диодный детектор в этом режиме функционирует как обычный выпрямитель. Амплитуду пульсаций можно оценить в первом приближении как падение напряжения на емкости от тока первой гармоники

и

. (11.4)

Следовательно, чем больше значения , и , тем меньше относительная доля пульсаций.

Важно! Особенностью функционирования этого детектора по сравнению с детектором на управляемом элементе является наличие обратной связи. Продетектированное выходное напряжение создает смещение на диоде. Следовательно, имеет место влияние нагрузки на работу НЭ, и пренебречь им нельзя.

Детекторная характеристика – зависимость тока детекторного эффекта (постоянной составляющей тока ) или выходного напряжения от амплитуды ВЧ немодулированного колебания , записывается

= , (11.5а)

, (11.5б)

где

,

, ,

= . (11.6)

Разделив обе части выражения (11.5б) на и учитывая, что согласно (11.6) получим

. (11.7)

Из (11.7) следует важный вывод: угол отсечки зависит только от параметров цепи ( и ) и не зависит от амплитуды входного напряжения . Это позволяет считать, что

(11.8)

и детекторная характеристика (11.5) линейна. Следовательно, диодный детектор является «линейным», хотя диод функционирует в принципиально нелинейном режиме.

Угол отсечки можно рассчитать из (11.7), а коэффициент передачи определить по формуле (11.6) или из графика рис. 11.4.

Учитывая, что для практической ситуации > угол отсечки < 0.7 рад., тангенс этого угла можно разложить в степенной ряд = и, ограничившись двумя слагаемыми, получить следующие упрощенные формулы:

, = . (11.9)

Р

K_д

SR

ис. 11.4

Входное сопротивление детектора по первой гармонике

,

для

. (11.10)

Детектирование модулированного колебания. При подаче на вход детектора АМ колебания

=

в схеме происходят те же процессы, что и при детектировании немодулированных колебаний. Рис. 11.5 поясняет функционирование схемы. Напряжение на конденсаторе = пропорционально амплитуде АМ колебания. При этом изменяется и смещение на диоде:

= – . (11.11)

При выполнении условия

, (11.12)

т. е. при изменении амплитуды, достаточно медленном по сравнению с постоянной времени RC-цепочки ( ), угол отсечки поддерживается постоянным. И, как прежде, он определяется значением и не зависит от мгновенного значения амплитуды колебаний. Детектирование происходит без нелинейных искажений.

Рис. 11.5

Выделение полезной составляющей с помощью RC-фильтра показано на рис. 11.6.

Рис. 11.6

Напряжение на выходе детектора будет

, (11.13)

где

= = ,

= = ,

, , ,

– коэффициент передачи для НЧ составляющей тока, т. е. на частоте (при ); – амплитуда огибающей входного сигнала.

Из (11.13) следует, что амплитуда выходного напряжения детектора зависит от соотношения частоты и полосы пропускания RC-цепочки и что выходное напряжение запаздывает по фазе на угол относительно огибающей входного АМК. В этом проявляются линейные искажения, вносимые в работу детектора RC-цепочкой. Их можно уменьшить, расширив полосу пропускания ФНЧ. Однако при этом должно выполняться условие (11.12) или, что то же самое, условие

или . (11.14)

Рис. 11.7

На рис. 11.7 изображены временные диаграммы входного и выходного напряжений при слишком большой постоянной времени , когда не выполняется правая часть неравенств (11.12) и (11.14). Когда амплитуда входного напряжения уменьшается, конденсатор не успевает разряжаться через сопротивление и напряжение не успевает следить за убыванием амплитуды. При этом угол отсечки изменяется вплоть до нуля, так что возникают искажения и детектирование становится нелинейным.