УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Кафедра № 12
Л Е К Ц И Я № 24
«Частотное и фазовое детектирование»
( наименование темы )
п о дисциплине «Теория радиотехнических цепей и сигналов»
»
П рофессор кафедры №12
д октор технических наук, профессор
( ученая степень, ученое звание,
Лось А.П.
в оинское звание, фамилия и инициалы автора )
Санкт-Петербург
2011 г.
Вопросы лекции.
Частотное и фазовое детектирование.
Получение амплитудно-модулированных колебаний..
ЧАСТОТНОЕ И ФАЗОВОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
Напряжение на выходе частотного детектора должно воспроизводить закон изменения мгновенной частоты модулированного колебания. Представив последнее в форме
получим для идеального частотного детектора следующую функциональную связь:
где — крутизна характеристики детектора, выраженная в вольтах на единицу угловой частоты; — мгновенное значение частотного отклонения входной э. д. е. Если пользоваться частотами то в выражении
'крутизна характеристики San будет иметь размерность В/Гц.
Из вольтамперных характеристик нелинейных элементов видно, что при постоянстве амплитуды входного напряжения нелинейный элемент не реагирует на изменение частоты этого напряжения. Иными словами, нелинейность таких устройств, как диод, проявляется лишь при изменении величины действующего на них напряжения, а не при изменении частоты или в общем случае скорости изменения сигнала.
Поэтому обычный частотный детектор представляет собой сочетание двух основных частей: 1) избирательной линейной цепи, преобразующей частотную модуляцию в амплитудную и 2) амплитудного детектора.
При правильном построении схемы частотного детектора изменение амплитуды входного сигнала не должно влиять на величину выходного напряжения. Поэтому в схему частотного детектора обычно входит устройство для ограничени я амплитуды входной э. д. с. Иногда ограничение осуществляется установлением специального режима работы усилительного прибора, входящего в состав частотного детектора.
В качестве линейной цепи можно использовать любую электрическую цепь, обладающую неравномерной частотной характеристикой: цепи RL, RC, фильтры, колебательные контуры и т. д. В высокочастотной технике большое распространение получили колебательные цепи. Схема частотного детектора, содержащего простой колебательный контур, представлена на рис. 8.36.
Если резонансная частота контура отличается от средней частоты модулированного колебания , то изменение амплитуды напряжения на контуре повторяет в известных пределах изменение частоты входного напряжения (рис. 8.37).
Изменение амплитуды высокочастотного напряжения с помощью диода Д преобразуется в низкочастотное напряжение, которое выделяется на апериодической нагрузке R,C. Отметим попутно, что при точной настройке контура на частоту ωр = ω0 сигнал искажается; частота изменения огибающей получается вдвое выше частоты полезной модуляции. В исходном режиме, т. е. при отсутствии модуляции, рабочая точка должна устанавливаться на скате резонансной кривой.
Недостатком рассмотренной схемы является необходимость настройки контура на частоту, отличную от частоты немодулирован-ного колебания. Кроме того, одиночный колебательный контур имеет весьма ограниченный линейный участок на скате резонансной кривой.
На рис. 8.38 представлена схема частотного детектора, широко распространенная в приемниках частотно-модулированных колебаний, а также в устройствах для автоматической подстройки частоты генераторов. Она содержит колебательную цепь в виде двух индуктивно связанных контуров, настроенных на частоту ω0.
.
Напряжение высокой частоты подается на базу транзистора, а продетектированное напряжение выделяется на резисторах R1 и R2- Катушка индуктивности Lw (дроссель) преграждает путь току высокой частоты. Принцип действия данного детектора поясняется эквивалентной схемой и векторной диаграммой, представленными на рис. 8.39 и 8.40.
Пусть Uj — напряжение на первом контуре, U2 — на втором контуре, U3 и U4 — напряжения в точках В и D относительно эмиттера (земли). Заметим, что U3 и , представляют собой амплитуды высокочастотных напряжений, приложенных соответственно к диодам Дг и Дв. В отсутствие модуляции, когда частота входного напряжения совпадает с резонансными частотами контуров, напряжение U2, развиваемое на индуктивности второго контура, сдвинуто по фазе на 90° относительно резонансного напряжения .
Определим напряжения U3 и U4. Учитывая, что средняя точка второго контура присоединена по высокой частоте непосредственно
к точке А и, следовательно, напряжение U3 является суммой напряжения и половины напряжения U2, получаем напряжений U3 и U4 одинаковы и равны
а фазы симметричны относительно фазы напряжения Ulp. Соответствующая этому случаю векторная диаграмма представлена на рис. 8.40, а. Так как выпрямленные напряжения U01 и U02, действующие на резисторах и R2, пропорциональны амплитудам и , то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности U01 и , при резонансной частоте будет равно нулю.
Рассмотрим теперь векторную диаграмму напряжений при расстройке. Пусть частота на входе детектора отклонится от резонансной частоты ω0 на величину , причем . Тогда вектор DB, соответствующий напряжению U2 (рис. 8,40, б), повернется относительно своего резонансного положения на угол φ2, который определяется выражением
Вместо выражений (8.63) и (8.64) получим
Первый и второй контуры обычно берутся идентичными. Поэтому отношение является коэффициентом связи контуров. Кроме того, считаем = = , . Вводя обозначение
и переходя к модулям, получаем
Напряжение на выходе при учете дифференциального включения нагрузок после ряда преобразований будет иметь вид:
Зависимость представлена на рис. 8.41 в виде семейства характеристик для различных значений параметра .
Кроме рассмотренных, имеется ряд других схем частотных детекторов, отличающихся лишь в деталях.
Рассмотрим теперь принцип работы фазового детектора. Пусть фаза высокочастотного колебания, подлежащего детектированию, именяется по закону . Если такое колебание подать на обычный частотный детектор, реагирующий на изменение мгновенной частоты колебания, то напряжение на выходе детектора
т. е. выходное напряжение, будет пропорционально производной фазы входного колебания. Отсюда видно, что для осуществления фазового детектирования можно использовать обычный частотный детектор.
Необходимо лишь дополнить его корректирующей цепью осуществляющей интегрирование выходного напряжения, т. е. цепью с частотной характеристикой вида В случае же скачкообразного изменения фазы, а также при необходимости сравнения фазы принимаемого колебания с фазой опорного (эталонного) колебания применяются специальные фазовые детекторы, в которых выходное напряжение пропорционально огибающей напряжения, получаемого при суммировании колебаний со сравниваемыми фазами.
ПОЛУЧЕНИЕ АМПЛ ИТУДНО-МОДУЛ ИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ
Ранее указывалось, что при воздействии на нелинейный резистивный элемент с квадратичной характеристикой двух гармонических колебаний с частотами и , отвечающими условию , в спектре тока среди других спектральных составляющих можно выделить три частоты образующие спектр амплитудно-модулированного колебания.
В генераторах и передатчиках важным требованием обычно является получение большой мощности колебания' при хорошем к. п. д. Ясно, что квадратичный режим работы нелинейного элемента этому требованию не отвечает. Для улучшения энергетических показателей модуляции резистивный нелинейный элемент должен работать в существенно нелинейном режиме, с отсечкой тока. Поэтому модуляция амплитуды высокочастотного колебания сводится к воздействию на нелинейный резонансный усилитель. Структурная схема устройства для получения ампли-тудно-модулированных колебаний представлена на рис. 8.44.
На вход нелинейного резонансного усилителя, работающего с отсечкой тока, подается
несущее колебание с частотой со0 от независимого источника (автогенератора). Модулирующее колебание (сообщение) спектр которого расположен в области частот, низких по сравнению с , изменяет положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике нелинейного элемента и тем самым осуществляет изменение амплитуды на выходе.
Одна из возможных схем подачи модулирующего колебания к резонансному (транзисторному) усилителю показана на рис. 8.45. Конденсатор Сб в цепи база — эмиттер защищает низкочастотную цепь от токов высокой частоты.
Режим работы нелинейного усилителя при модуляции поясняется рис. 8.46, а, построенным для случая тональной модуляции (s(t) — гармоническая функция с частотой Ω).
Так как ток коллектора то амплитуда напряжения на колебательном контуре, создаваемого первой гармоникой коллекторного тока, будет
От рассмотренного ранее построения (рис. 8.10) отличие заключается в зависимости амплитуды импульсов тока (рис. 8.46, б) от модулирующего напряжения . Это приводит к изменению амплитуды первой гармоники тока и, следовательно, к изменению амплитуды напряжения на колебательном контуре усилителя.
Модулированный по амплитуде ток основной частоты показан на рис. 8.46, в. Штриховой линией обозначено изменение — амплитуды первой гармоники тока. При правильном выборе амплитуды модулирующего напряжения изменение амплитуды импульсов относительно исходного значения связано с линейным соотношением
где — постоянный коэффициент.
Так как изменение (при постоянной амплитуде Е высокочастотного колебания) сопровождается изменением угла отсечки , то амплитуда первой гармоники коллекторного тока
Здесь I10 — амплитуда несущего колебания. Произведение kам изменяется по закону, отличающемуся от закона изменения модулирующего напряжения. Отсюда видно, что при модуляции смещением неизбежны искажения: закон изменения I1 отличается от формы напряжения . Искажения могут быть достаточно малыми при правильном выборе пределов изменения угла отсечки и работе с неслишком глубокой модуляцией (40—50%).