6.3 Частотные детекторы

Частотным детектором называется преобразователь, выходной параметр (напряжение, ток, и т.д.) которого пропорционален мгновенной частоте входного сигнала.

Для входного сигнала u_in = U_in cos[(t)] выходное напряжение частотного детектора E_fd ~ (t).

Детекторование частоты возможно путем преобразования ЧМ в другой вид модуляции с последующим детектированием преобразованного сигнала. По виду предварительного преобразования ЧМ сигнала методы детектирования можно разделить на три группы: ЧМ-ФМ-ФД, ЧМ-АМ-АД, преобразование входного сигнала в импульсную форму.

6.3.1 Частотные детекторы с аналоговыми промежуточными преобразованиями

Детекторы с преобразованием ЧМ-АМ.

В таких детекторах ЧМ сигнал преобразуется в АЧМ колебание расстроенными относительно средней частоты сигнала резонансными цепями с последующим детектированием амплитуд­ными детекторами.

	АО – амплитудный ограничитель; m1, m2 – коэффициенты включения колебательного контура;
Рис.13.7 – Частотный детектор с преобразованием ЧМ-АМ

Промежуточное преобразование ЧМ сигнала в детекторе, схема которого показана на рис. 13.7, реализуется резонансным LC-контуром. В преобразователе используется наклонный участок АХЧ контура, где за­висимость напряжения на кон­туре U_к от частоты f близка к линейной. Резонансная частота контура отличается от средней частоты сигнала на величину f_Н – рис.13.9. Такой преобразователь называют расстроенным относительно частоты сигнала контуром. При использовании наклонного участка АЧХ контура возникает сопутствующая амплитудная модуляция – рис. 13.8. Изменение амплитуды U_к напряжения на кон­туре соответствует закону изменения частоты входного сигнала. Напряжение с контура подается на амплитудный детектор, выходное напряжение которого функционально связано с мгновенной частотой входного сигнала E_Д = F(f_с).

Частотный детектор с одиночным расстроенным контуром (рис.13.7)

,

где U_K0 = I₁m₁R_oe – амплитуда напряжения на контуре при резонансе;

I₁ – амплитуда первой гармоники выходного тока АО; d_e – эквивалентное затухание контура.

Выходное напряжение детектора

E_fd = U_K0 m₁cos , где  – угол отсечки.

Напряжение на контуре U_к = U_ко /,

где U_ко = I_m1m₁m₂R_э; I_m1 – амплитуда первой гармоники тока на выходе АО; d_e – эквивалентное затухание контура. Тогда

Е_ЧД = U_к cos  = U_ко cos / ,

где cos  – коэффициент передачи амплитудного детектора;

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000Рис.13.13 – Преобразование ЧМ-АМ

 = /de – обобщенная расстройка контура.

Характеристика детектирования, построенная по выра­жению для Е_ЧД, по форме совпадает с АЧХ используемой в ЧД линейной цепи – в данном случае с резонансной характеристикой контура. Подобные простейшие ЧД применяются только в си­стемах с узкополосной ЧМ, поскольку не обладают достаточно линейными детекторными характеристиками. Повысить линей­ность характеристики детектирования ЧД можно уменьшением добротности контура, но лучше использовать балансный ЧД с вза­имно расстроенными контурами – рис. 13.9.

Балансный ЧД с взаимно расстроенными контурами – два ЧД с одиночными расстроенными контурами – рис.13.9. Один из контуров имеет резонансную частоту f₀₁ выше центральной частоты f_c входного сигнала, а другой – ниже f₀₂ < f_c .

а)

б)

Рис.13.9, а), б) – Балансный частотный детектор

Рис.13.9, в) – Балансный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами

Балансный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами (рис. 13.9, в) содержит два ЧД с одиночными контурами – рис. 13.7; L₁C₁-контур первого ЧД настроен на частоту f₀₁, превышающую среднюю частоту f₀ на f, a L₂C₂-контур второго ЧД – на частоту f₀₂, которая на f ниже средней частоты входного сигнала f₀. При частоте сигнала f = f₀ напряжения на обоих контурах одинаковые U_K1 = U_K2, и выходные напряжения амплитудных детекторов также одинаковы, но противоположны по знаку E_АД1 = – E_АД2 и напряжение на выходе ЧД E_ЧД = 0 – рис. 13.9. При f > f₀ напряжение U_K1 на первом контуре становится больше, чем напряжение U_K2 на втором, и соответственно |E_АД1| > |E_АД2| и выходное напряжение частотного детектора E_ЧД > 0. При f < f₀ соотношение напряжений:

U_K1 < U_K2, |E_АД1| > |E_АД2| и E_ЧД < 0.

Характеристика детектирования балансного ЧД с взаимно расстроен-ными контурами практически симметрична, поэтому при детектировании отсутствуют искажения по второй гармонике. При значительном взаимном различии настройки контуров характеристика де­тектирования становится нелинейной.

Детекторы с преобразованием ЧМ-ФМ. Усилитель с одиночным резонансным контуром имеет ФЧХ, такую же как и LC-контур – рис. 13.10, а). Фазовый сдвиг  в некото­рых пределах пропорционален разности частоты сигнала и резонансной частоты контура, что позволяет исполь­зовать контур для преобразования изменений частоты в измене­ния фазового сдвига с последующим фазовым детектированием.

Один из вариантов ЧД с промежуточным преобразованием ЧМ – ФМ – АМ показан на рис. 13.10, б). LC-контур настроен на среднюю частоту сигнала. Выходной ток амплитудного ограничителя İ наводит в LC-контуре ЭДС, которая вы­зывает в нем ток İ _К. Этот ток создает на контуре напряжение Ū, сдвиг фазы  которого зависит от частоты сигна­ла – рис.13.10, а).

Одновременно ток İ создает на катушке связи L₂ напряжение Ū₀, фаза которого практически совпадает с фазой тока İ в широкой полосе частот. Результирующее напряжение с амплитудой

U_ =

детектируется АД, состоя­щим из диода и ФНЧ – R_Н, С_Н. Напряжение на выходе амплитудного детектора про­порционально напряжению U_, которое зависит от фазово­го сдвига  = F(f), поэтому выходное напряжение E_ЧД также за­висит от частоты.

Рис.13.10 – Частотный детектор с преобразованием ЧМ-ФМ	ФЧХ резонансного контура

Схема ЧД с двумя связанными контурами, настроенными на среднюю частоту сигнала, – на рис. 13.11. Плечи ЧД должны быть одинаковыми: R_H1 = R_H2 = R_H; С_Н1 = С_Н2 = С_Н. Два индуктивно связанных контура L₁C₁ и L₂C₂ настроены на среднюю частоту сигнала f₀₁ = f₀₂ = f₀. На выходе линейной цепи включены два диод­ных детектора, на нагрузках которых выделяются напряжения E_АД1 и E_АД2. Диоды VD₁, VD₂ одинако­вы, R_H1 = R_H2, С_H1 = С_H2, потому коэффициенты передачи диодных детекторов одинаковы и рав­ны cos. Т.о. E_АД1 = U_Д1 cos и E_АД2 = U_Д2 cos, где U_D1; U_D2 – амплитуды высо­кочастотных напряжений на диодах. Постоянная составляющая тока диода VD₁ протекает по цепи VD₁  R_H1  Др  верхняя по­ловина L₂  VD₁, а постоянная составляющая тока VD₂ – по це­пи VD₂  R_H2  Др  нижняя по­ловина L₂  VD₂. Высокочастот­ный дроссель Др служит для замыкания цепи постоянной состав­ляющей тока диода. Специального вычитающего устройства в схеме ЧД нет, а используется простое сложение напряжений E_АД1 и E_АД2 в противоположной полярности, следовательно,

E_ЧД = E_АД1 – E_АД2 = (U_D1 – U_D2) cos. (13.48)

Высокочастотная составляю­щая тока диода VD₁ протекает по цепи: VD₁  C_H1  C_H2  общий провод  C_БЛ  L₁C₁  C_СВ  L₂C₂  VD₁. К диоду VD₁ приложено: половина напряжения на втором контуре 0,5Ū₂ и напря­жение на первом контуре Ū₁, т. е. Ū_D1 = Ū₁ + 0,5Ū₂ . Напряжение Ū₁ выделяется на дросселе Др, подключенном по высокой часто­те параллельно первому контуру L₁C₁. Для того чтобы индуктивность дросселя L_др не влияла на индуктивность первого контура, при ее выборе выполняется усло­вия L_др 10L₁.

По аналогии для диода VD₂ можно записать Ū_D2 = Ū₁ – 0,5Ū₂; знак «минус» обусловлен «встречным» включением диодов VD₁, VD₂ – к диодам прикладываются противоположные полярности напряжения и₂.

При пояснении принципа работы ЧД с двумя связанными контурами условно будем считать напряжение на первом контуре опорным, поэтому фазу вектора напряжения Ū₁ можно принять равной нулю. Из выражения для ЭДС, наводимой во втором кон­туре

Ē₂ = jM  İ _L1= jMŪ₁/(r₁+ jL₁)  Ū₁ /L₁,

следует, что фаза ЭДС Ē₂ совпадает с фазой Ū₁ . ЭДС Ē₂ вызывает ток во втором кон­туре, İ₂ = Ē₂ / [r₂ + j(L₂ – 1/C₂ )]. Здесь r₁, r₂ – сопротивления потерь 1-го и 2-го контуров соответственно.

При резо­нансе ток во втором контуре İ₂ и ЭДС Ē₂ с­вязаны соотношением İ ₂ = Ē₂ /r₂ – векторы напряжений Ū₁ , Ē₂ и тока İ₂ при _С = ₀ совпадают по фазе. Напряжение на конденсаторе C₂ второго контура

Ū ₂ = İ₂/jC₂ отстает от тока İ₂ на 90°. Поло­вина напряжения на конденсаторе C₂, действующая относительно средней точки катушки индуктивности L₂, через нижнюю половину витков (см. рис.13.12) прикладывается к диоду VD₂ и опере­жает Ū₁ на 90°; другая поло­вина напряжения на конденсаторе C₂ через верхнюю половину витков катушки L₂ прикладывается к диоду VD₁ и отстает от напряжения Ū₁ на 90°. Вектор напряжения на диоде VD₁ равен сумме Ū _D1 = Ū₁ + 0,5 Ū₂, а вектор Ū _D2 = Ū₁ – 0,5 Ū₂. Очевидно, что при резонансе |Ū_D1| = |Ū_D2|, следовательно, E_Д1 = E_Д2; E_ЧД = E_Д1 – E_Д2 = 0.

В ка­честве опорного вектора берем вектор Ū₁; ЭДС, наводимая на втором контуре Ē₂  M Ū₁ /L₁, – ее фаза совпадает с фазой Ū₁. Ток во втором контуре İ ₂ = Ē₂ / [r₂+ j(L₂ – 1/C₂ )]; при _С > ₀ сопротивление 2-го контура X₂ = (L₂ – 1/C₂) имеет индуктивный характер, следовательно, ток İ ₂ отстает по фазе от ЭДС Ē₂. Напряжение Ū₂ на конденсаторе C₂ отстает от тока İ₂ на 90°. К диоду VD₁ приложено напряжение 0,5Ū₂, которое отстает от тока İ₂ на 90°, а к диоду VD₂ приложено напря­жение – 0,5Ū₂, опережающее ток İ₂ на 90°. Сложив соответствую­щие векторы, определим Ū_D1 и Ū_D2. При _С > ₀ очевидно Ū_D2 > Ū_D1 при этом E_Д2 > E_Д1 и E_ЧД < 0.

Таким об­разом, в ЧД со связанными контурами на рис. 13.11 изменение частоты сигнала f_С относительно резонансной частоты контуров f₀ приводит к изменению фазового сдвига между ЭДС , наво­димой на втором контуре, и током İ₂ в нем. Это приводит к из­менению напряжений Ū_D1 и Ū_D2 на диодах, а следовательно, и выходного на­пряжения E_ЧД.

Форма характеристики детектирования ЧД зависит от добротности контуров и степени связи между ними.

Рис. 13.11 – Частотный детектор со связанными резонансными контурами

Дробный частотный детектор (рис. 13.12), называемый иногда детектором отношения, не чувствителен к амплитудной модуляции входного сигнала, благодаря чему отпадает необходимость в амплитудном ограничителе. Схема дробного ЧД на рис. 13.12 может рассматриваться как вариант схемы ЧД со связанными контурами – отличается от схемы на рис. 13.12 способом вклю­чения диодов и нагрузки, а вместо дросселя Др и конденсатора связи C_СВ используется катушка связи L₃. Вместо «встречного» включения диодов VD₁, VD₂ здесь они включены последовательно.

Коэффициент взаимоиндукции между катушками индуктивности L₁, L₂ равен M₁, а коэффициент взаимоиндукции между катушками L₁, L₃ равен M₂. Каждое из высокочастотных напряжений Ū_D1 и Ū_D2, подводимых к диодам VD₁, VD₂, так же, как в ЧД со свя­занными контурами на рис. 13.11, представляет собой сумму напряжений: на­пряжения Ū₁ на катушке связи L₃ и половины напряжения на втором контуре Ū₂/2. Напряжение Ū₁^' = M₂ Ū₁ /L₁ на катушке связи L₃ по фазе совпадает с напряжением Ū₁ на первом контуре. Поэтому векторные диаграммы, рассмотренные при анализе работы ЧД со связанными контурами, остаются справедливыми и для дробного детектора.

Рис.13.12 – Дробный частотный детектор