.
УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Кафедра № 12
Л Е К Ц И Я № 23
«Амплитудное детектирование и ограничение»
( наименование темы )
по дисциплине «Теория радиотехнических цепей и сигналов»
Профессор кафедры №12
доктор технических наук, профессор
( ученая степень, ученое звание,
Лось А.П.
воинское звание, фамилия и инициалы автора )
Санкт-Петербург
2011 г.
Вопросы лекции.
1.Умножение частоты.
2.Амплитудное ограничение.
3. Амплитудное детектирование.
УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Наличие в составе импульсного тока ряда гармоник с частотами, кратными основной частоте возбуждения, позволяет использовать усилитель, работающий с отсечкой тока, в качестве умножителя частоты. Для этого не требуются какие-либо изменения в схеме резонансного усилителя, достаточно лишь нагрузочный колебательный контур настроить на частоту выделяемой гармоники и установить наиболее выгодный для подчеркивания полезной гармоники режим работы активного элемента. Из графиков изображенных на рис. 8.12 видно, что для удвоения частоты выгодно работать с углом отсечки, близким к 60°, при котором коэффициент второй гармоники проходит через максимум, для утроения частоты — с углом отсечки 40° и т. д.
Отношения
называются коэффициентами, соответственно, постоянной составляющей, первой гармоники и т. д. (функции Берга).
Из рассмотрения графиков функций можно вывести важные заключения. При работе с углом отсечки меньше 180° отношение амплитуды первой гармоники , к постоянной составляющей больше единицы, между тем как в линейном режиме это отношение много меньше единицы. С уменьшением это отношение растет.
При достаточно высокой добротности напряжение на контуре от всех гармоник, за исключением n-й, очень мало. Поэтому напряжение на контуре близко к гармоническому с частотой .
Можно поэтому считать, что для умножителя частоты характерен режим работы с большими амплитудами входного напряжения.
Схема замещения умножителя частоты внешне не отличается от схемы замещения нелинейного усилителя. Следует лишь по аналогии под средней крутизной подразумевать
где коэффициент n-й гармоники определяется формулой (8.26).
Соответственно и внутреннее сопротивление электронного прибора, приведенное к используемой гармонике, равно
Умножение частоты широко применяется в радиопередающих устройствах с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора. Частота этого генератора выбирается относительно невысокой, в 4—12 раз меньшей рабочей частоты передатчика, благодаря чему создаются благоприятные условия для использования пьезоэлектрического эффекта кварцевой пластинки. Умножение частоты осуществляется в последующих каскадах передатчика на малой мощности. Чаще всего применяется удвоение, реже утроение частоты в одном каскаде.
АМПЛИТУДНОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ
В радиотехнике часто возникает необходимость устранить нежелательные изменения амплитуды высокочастотного колебания, возникающие из-за накладки помех на радиосигнал, при передаче частотно-модулированных колебаний через избирательные цепи и т. д.
Для этого широко используются амплитудные ограничители, представляющие собой сочетание нелинейного элемента и избирательной
нагрузки. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента должна иметь сильно выраженную горизонтальную часть, а полоса пропускания избирательной цепи должна быть не шире той, которая требуется для передачи информации, содержащейся в частоте (или фазе) ограничиваемого колебания. В качестве амплитудного ограничителя может быть использован, в частности, обычный нелинейный резонансный усилитель.
Пусть к ограничителю подводится колебание вида
Характеристику ограничителя с избирательной нагрузкой, обеспечивающей отфильтровывание высших гармоник, можно представить в виде, изображенном на рис. 8.19. Через обозначено пороговое значение амплитуды входного напряжения, начиная с которого обеспечивается полное ограничение на уровне U0.
При амплитуда на выходе почти не изменяется.Фаза же первой гармоники тока и соответственно выходного напряжения совпадает с фазой напряжения на входе ограничителя.
Поэтому для выходного напряжения можно написать следующее выражение:
Амплитуда выходного напряжения U0 определяется параметрами нелинейного элемента и избирательной нагрузки. Для схемы, изображенной на рис. 8.15, б, где Iг — амплитуда первой гармоники, определяемая с учетом уплощения вершины импульса, a ZэP — эквивалентное резонансное сопротивление контура.
АМПЛИТУДНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
Детектирование колебаний заключается в выделении сигнала, который в неявной форме содержится в модулированном высокочастотном колебании. По своему назначению детектирование является процессом, обратным процессу модуляции.
В тех случаях, когда требуется подчеркнуть это, наряду с термином «детектирование» (обнаружение) применяют термин «демодуляция». Соответственно основным видам модуляции различают амплитудное, частотное и фазовое детектирование.
Рассмотрим некоторые явления в детекторе при модулированном колебании, а также особенности детектирования слабых и сильных колебаний. Обратимся сначала к последнему вопросу. Допустим, что амплитуда колебания на входе детектора настолько мала, что обусловленные этим колебанием изменения тока укладываются на относительно небольшом участке нижнего сгиба характеристики диода или любого другого нелинейного элемента (рис. 8.30).
В соответствии с выражением (8.10) ток через диод (см, рис, 8.23) равен
где — мгновенное значение высокочастотного сигнала, амплитуда которого Е (t) модулирована по закону передаваемого сообщения (начальную фазу для краткости мы опустим, так как на работу амплитудного детектора фаза не оказывает влияния).
Таким образом,
Постоянная составляющая тока (ток покоя) и высоко-
частотные составляющие и 2 отфильтровываются в цепи нагрузки. Информация содержится в последнем, низкочастотном, слагаемом
I
Так как эта составляющая пропорциональна квадрату амплитуды входного напряжения, то при малых амплитудах детектирование, является квадратичным. Это положение является общим, справедливым для любых типов нелинейных, элементов, используемых для детектирования.
То обстоятельство, что напряжение Uвых (t) на нагрузке, являющейся линейной цепью, пропорционально и, следовательно, квадрату амплитуды входного сигнала Е (t), не является препятствием к правильному воспроизведению формы импульсных (прямоугольных) сигналов.
Нелинейность характеристики детектирования в данном случае проявляется лишь в том, что амплитуда импульса на выходе детектора пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения на входе детектора.
Иначе обстоит дело при квадратичном детектировании колебаний, огибающая которых является непрерывной функцией времени, как это имеет место, например, при передаче речи, музыки и т. д. Для упрощения рассуждений рассмотрим случай тональной модуляции. Подставив в выражение (8.55)
получим
Заметим, что в отсутствие модуляции (М = 0), т. е. когда на детектор действует одно лишь колебание несущей частоты, приращение тока равно Таким образом, при возникновении тональной модуляции среднее значение тока получает постоянное по величине относительное приращение, равное Переменная часть тока содержит следующих два слагаемых: а) полезное, воспроизводящее сигнал . б) вредное, являющееся второй гармоникой сигнала
Отсюда следует, что коэффициент гармоник, равный в данном случае отношению амплитуды второй гармоники к амплитуде первой, равен
При 100%-ной модуляции получается
При передаче сложных сигналов, содержащих большое число частот, гармоники и комбинационные частоты оказывают при глубокой модуляции очень сильное влияние на разборчивость и тембр сигнала. Поэтому применение квадратичного детектирования нецелесообразно в тех случаях, когда требуется неискаженное воспроизведение сигналов (речь, музыка и т. д.).
Рассмотрим детектирование больших амплитуд. Как и ранее, применим диодный детектор. Не изменяя схемы, представленной на рис. 8.23, допустим, что амплитуда входного сигнала достаточно велика, a R и С выбраны таким образом, что угол отсечки тока очень мал и выпрямленное напряжение на R почти не отличается от амплитуды Е (t) входного сигнала. Подобный режим для постоянной амплитуды (выпрямление) был рассмотрен в § 8.7.
Рассмотрим нелинейную цепь, изображенную на рис. 8.23. К последовательному соединению нелинейного элемента Д (диод) с простейшим RС-фильтром приложена гармоническая э. д. с.
требуется найти токи в ветвях и напряжение Uвых на выходе схемы (в стационарном режиме). Такая задача характерна для однополупериодного выпрямления переменного тока. Напряжение на выходе представляет собой пульсирующую около среднего значения U0 кривую (рис. 8.24, а). Это напряжение является отрицательным по отношению к диоду. Поэтому ток через диод возможен только в течение отрезков периода, когда положительная полуволна э. д. с. превышает напряжение Иными словами, ток через диод имеет форму импульсов, показанных на рис. 8.24, б. В промежутках между импульсами тока, когда происходит разряд конденсатора С через резистор R, напряжение , убывает. В промежутке t1 < t< t2 конденсатор подзаряжается импульсом тока и ивыx(t) растет. Если постоянная времени RC нагрузочной цепи велика по сравнению с периодом то амплитуда пульсаций напряжения Uвых мала и в первом приближении можно считать U0. Учитывая, что по отношению к диоду напряжение на нагрузке является отрицательным, рассмотрим построение, показанное на рис. 8.25. В левой части этого рисунка сплошной линией изображена истинная вольт-амперная характеристика диода в координатах, напряжение и, а штриховой прямой линией — аппроксимирующая ее линейная функция. Диаграмма входной э. д. с.
построена относительно вертикальной оси смещенной на величину влево отточки = 0..
. На рис. 8.33, а совмещены входное (высокочастотное) и выходное выпрямленное напряжение (зубчатая линия). Так как при достаточно большой (по сравнению с периодом высокой частоты постоянной времени RC зубцы практически отсутствуют, то напряжение на выходе воспроизводит огибающую амплитуд входного напряжения, т. е. передаваемое сообщение. Таким образом, связь между выходным напряжением (выпрямленным) и амплитудой входной э. д. с. Е (i) получается почти линейной.
В этом смысле детектор, работающий в режиме больших амплитуд и с нагрузкой, обеспечивающей близкое совпадение напряжений и E(t), называется линейным детектором
. При этом не следует, конечно, упускать из виду, что детектор, работающий с отсечкой тока, является сугубо нелинейным устройством. Эта нелинейность обусловлена формой характеристики не только в области >0 (где характеристика может быть близка к линейной), а на протяжении всей области действующих на диоде напряжений. При работе с отсечкой характеристика диода представляет собой ломаную линию, состоящую из участка оси абсцисс (при < 0) и наклонной линии (при > 0), с изломом вблизи точки = 0.
Режим модуляции накладывает на выбор элементов нагрузки детектора дополнительные ограничения. Необходимо, чтобы постоянная времени цепи нагрузки была мала по сравнению с периодом модуляции. В противном случае изменение выпрямленного напряжения на нагрузке может отставать от изменения огибающей входной э. д. с. Подобный режим представлен на рис, 8.33, б. На участке а — б из-за чрезмерно большой инерционности RC-цепи напряжение ивых отстает в своем росте от огибающей э. д. с. В точке б, где ивых и амплитуда модулированной э. д. с. уравниваются, ток через диод и рост ивых прекращаются. На участке б —в источник э. д. с. и диод не оказывают никакого влияния на нагрузочную цепь и в последней происходит разр яд конденсатора С через резистор R. Таким образом, на участке б — в напряжение является экспо-нентой. Получается нелинейное искажение сигнала. Так как эти искажения обусловлены тесным взаимодействием нелинейного элемента (диод) с линейной цепью (RC), степень нелинейных искажений зависит не только от параметров цепи и глубины модуляции, но также и от частоты модуляции. Эти искажения возрастают с повышением частоты, а также глубины модуляции входной э. д. с. Для устранения рассматриваемых искажений необходимо, чтобы С другой стороны, для сглаживания высокочастотных пульсаций требуется выполнение неравенства Совмещая эти два условия, получаем неравенства
Обычно эти частоты сильно различаются и выполнение условия (8.56) не встречает затруднений.
). При малых амплитудах она квадратична, при больших линейна. Чем больше амплитуда входного колебания, соответствующая пику модуляции, тем меньшую роль играет отклонение характеристики детектирования от прямой линии (штриховой) вблизи нуля