4. Детектирование am колебаний нелинейной цепью.

Если вольт-амперная характеристика нелинейного элемента детектора может быть аппроксимирована полиномом второй степени (3), то детектор называют квадратичным. Указанная аппроксимация является достаточно точной для небольших участков характеристики при малых амплитудах входного напряжения (в практических схемах — не более 100—300 мВ). Основной недостаток квадратичного детектора — заметные нелинейные искажения продетектированного сигнала. Проанализируем это явление для простейшего АМ-сигнала. В простейшем случае АМ сигнал содержит 3 высокочастотные спектральные составляющие (5). Если такой сигнал поступает на нелинейную цепь, в спектре тока появятся гармоники и комбинационные частоты. Низкочастотные составляющие получаются как разностные комбинационные частоты. Амплитуды комбинационных колебаний в соответствии с (4) равны a₂ U_m1U_m2. Найдем амплитуды полученных низкочастотных составляющих.

Требуемая частота  получается как разность несущей ₀ и одной из боковых ₀  . (₀+) - ₀ = и ₀ – (₀ - )=. Ее амплитуда a₂ mU₀². Кроме  появляется и вторая гармоника 2 как разность между боковыми частотами: (₀+) - (₀ - )=2. Ее амплитуда a₂ m²U₀²/4. Коэффициент гармоник равен отношению найденных амплитуд.

К_Г=(m²U₀²/4)/(mU₀²)= m/4.

Для уменьшения нелинейных искажений при детектировании уменьшают глубину модуляции АМ-радиосигнала. m_практ < 0.4.

Рассмотрим одну из наиболее распространенных схем, применяемую для детектирования AM сигналов (рис.7). Основным элементом такой цепи является полупроводниковый диод VD.

Рис.7

Линейными называются детекторы, у которых вольт-амперная характеристика нелинейного элемента может быть представлена как кусочно-линейная, состоящая из двух линейных участков различной крутизны. Такая аппроксимация дает достаточно точные результаты только при входных воздействиях большой амплитуды. Детектирование в линейном детекторе осуществляется без искажений, если амплитуда входного напряжения превышает 500—1000 мВ. Подчеркнем, что детектор, схема которого изображена на рис.7, работает как квадратичный при малых входных сигналах и как линейный — при больших.

При отсутствии модуляции, что соответствует т=0, амплитуды тока I_Rm одинаковы и пропорциональны амплитуде напряжения U_т на входе детектора, т. е. I_Rm=U_m/R. При этом среднее значение тока на интервале времени, совпадающем с длительностью периода высокочастотного колебания T₀=1/f₀, определяется: I_R0=₀()I_Rm=0,34I_Rm. Следовательно, I_R0=₀I_Rm=₀U_m/R, т. е. составляющая I_R0 тока i(t) через резистор R пропорциональна амплитуде подводимого к входу цепи напряжения.

Если амплитуда U_m[1 + mu(t)] подводимого к цепи колебания s_АМ(t) меняется во времени, то составляющая I_R0 также будет меняться во времени, оставаясь пропорциональной амплитуде напряжения s_АМ(t):

Второе слагаемое в данном выражении пропорционально модулирующему напряжению u(t). Таким образом, AM колебания в рассматриваемой нелинейной цепи будут детектироваться, если из тока i(t) выделить лишь одну его составляющую I_R0(t), меняющуюся во времени медленно по сравнению с изменениями мгновенных значений тока i(t).

Для выделения составляющей тока I_R0(t) обычно используют RC-фильтр нижних частот, который включается в нелинейную цепь как нагрузка детектора. Элементы фильтра выбираются так, чтобы

.

Тогда выходное напряжение детектора U_вых(t) будет создаваться только низкочастотными составляющими тока, а высокочастотные составляющие окажутся отфильтрованными. Чтобы убрать постоянную составляющую U_0вых, содержащуюся в напряжении U_вых(t), сигнал с выхода детектора подают через разделительный конденсатор С_р. В результате получается напряжение U’_вых(t) без постоянной составляющей.

Важным параметром детектора является его коэффициент передачи K_д, равный отношению постоянной составляющей выходного напряжения U_0вых к амплитуде немодулированного несущего колебания U_m: K_д= U_0вых/U_m. Коэффициент передачи диодного детектора всегда несколько меньше единицы, т.е. диодное детектирование сопровождается ослаблением сигнала. В большинстве случаев K_д0,7—0,8.

5. Детектирование ФМ колебаний. Детектор ФМ сигналов представляет собой устройство, у которого постоянное напряжение или ток на выходе зависят от сдвига фаз двух колебаний одной и той же частоты. В наиболее распространенных схемах детекторов ФМ сигнал сначала преобразуется в АМ сигнал, а потом детектируется.

Рис.8

Схема балансного фазового детектора показана на рис.8. Балансный детектор, называемый также двухтактным, состоит из двух одинаковых амплитудных детекторов, каждый из которых нагружен элементами R', С'. Опорное напряжение и₁ подводят между средней точкой вторичной обмотки трансформатора T и точкой соединения нагрузок амплитудных детекторов. Детектируемое напряжение u_вх подают на первичную обмотку трансформатора T.

При выбранном направлении токов через диоды i’ и i", значении угла (t), а также полярности напряжений и₁ и u_вх, соответствующей указанной на рис.2.14, получаем напряжения на диодах: ,

Рис.8

По этим выражениям на рис.8, построены векторные диаграммы, из второй диаграммы следует, что вектор U_д1 длиннее вектора U_д2, поэтому U_mд1>U_mд2. Токи i’ и i" образуют выходные напряжения на конденсаторах C’, которые создают ток через нагрузочную емкость C_н в противоположных направлениях, поэтому: u_вых(t)=u’_вых(t)-u”_вых(t)=K_д(U_mд1—U_mд2).

При =90° и =270° (первая диаграмма) выходное напряжение u_вых=0, поскольку U_mд1= U_mд2.

Рис.9

6. Детектирование ЧМ колебаний. Детектируют ЧМ колебания с помощью устройств, выходное напряжение или ток которых зависят от частоты входного гармонического сигнала. Принципа-действия большинства таких устройств основан на преобразовании ЧМ сигнала в AM или ФМ сигнал с последующим детектированием соответственно амплитудным или фазовым детектором. Примером таких схем может служить частотный детектор с настроенными контурами, в котором ЧМ колебание сначала преобразуется в ФМ сигнал, а затем детектируется балансным фазовым детектором. Схема приведена на рис.9, принцип работы идентичен принципу работы схемы на рис.7.