8.10. ЧАСТОТНОЕ И ФАЗОВОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Входной радиосигнал представим в виде

Для снятия нежелательной AM обязательно применение амплитудного ограничения. Тогда на входе собственно частотного детектора (ЧД) напряжение будет

Напряжение на выходе ЧД должно воспроизводить закон изменения мгновенной частоты радиосигнала. Поэтому для идеального ЧД получаем следующие функциональные соотношения:

или

где — крутизна характеристики детектора, выраженная В вольтах на единицу угловой частоты [формула (8.59)] или в вольтах на герц [формула (8.60)].

Предполагается, что , а следовательно, и являются «медленными» функциями времени. Для выделения сообщения из ЧМ колебания, спектр которого состоит только из высокочастотных составляющих (несущая частота и боковые частоты модуляции), необходимо нелинейное устройство. Следовательно, частотный детектор обязательно должен включать в себя нелинейный элемент. Однако в этом случае в отличие от амплитудного детектора для образования частот сообщения одного лишь нелинейного элемента недостаточно. В § 8.3 было показано, что при воздействии ЧМ колебания на безынерционный нелинейный элемент в спектре тока не возникают составляющие с частотой модуляции. Иными словами, нелинейность такого устройства, как диод, проявляется лишь при изменении действующего на него напряжения, а не при изменении частоты или в общем случае скорости изменения фазы сигнала.

Поэтому для осуществления частотного детектирования требуются дополнительные преобразования. Большое распространение получили, например, частотные детекторы, представляющие собой сочетание двух узлов: 1) избирательной линейной цепи, преобразующей частотную модуляцию в амплитудную; 2) амплитудного детектора.

В качестве линейной цепи можно использовать любую электрическую цепь, обладающую неравномерной частотной характеристикой: цепи RL, RC, фильтры, колебательные контуры и т. д.

Рис. 8.36. Одноконтурный частотный детектор

Рис. 8.37. К объяснению работы детектора, представленного на рис. 8.36

В высокочастотной технике большое распространение получили колебательные цепи.

Схема частотного детектора, содержащего простой колебательный контур, представлена на рис. 8.36. Если резонансная частота контура сор отличаете 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 преобразуется в низкочастотное напряжение, которое выделяется на апериодической нагрузке RC. Отметим попутно, что при точной настройке контура на частоту 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 немодулированного колебания. Кроме того, резонансная кривая одиночного колебательного контура имеет весьма ограниченный линейный участок на скате.

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 Напряжение высокой частоты подается на базу транзистора, а продетектированное напряжение на выделяется на резисторах . Катушка индуктивности (дроссель) преграждает путь току высокой частоты. Принцип действия данного детектора поясняется эквивалентной схемой и векторной диаграммой, представленными на рис. 8.39 и 8.40.

Рис. 8.38. Двухконтурный частотный Детектор

Пусть — напряжения на первом и втором контурах, — напряжения в точках В и D относительно эмиттера (земли). Заметим, что представляют собой амплитуды высокочастотных напряжений, приложенных соответственно к диодам

В отсутствие модуляции, когда частота входного напряжения совпадает с резонансными частотами контуров, напряжение на индуктивности второго контура сдвинуто по фазе на 90° относительно резонансного напряжения

Действительно, при индуктивной связи двух одинаковых контуров

Так как при получаем

опережает на 90°.

Определим напряжения . Учитывая, что на схеме замещения (см. рис. 8.39) средняя точка второго контура присоединена по высокой частоте непосредственно к точке А и, следовательно, напряжение является суммой напряжения U и половины напряжения , получаем

Аналогично для можем написать

Модули напряжений одинаковы и равны

а фазы симметричны относительно фазы напряжения Соответствующая этому случаю векторная диаграмма представлена на рис. 8.40, а. Так как выпрямленные напряжения действующие на резисторах , пропорциональны амплитудам то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности при резонансной частоте будет равно нулю.

Рассмотрим векторную диаграмму напряжений при расстройке. Пусть частота на входе детектора отклонится от резонансной частоты на , причем Тогда вектор , соответствующий напряжению (см. рис. 8.40, б), повернется относительно своего резонансного положения на угол , который определяется выражением

(8.66)

Рис. 8.39. Схема замещения избирательной цепи частотного детектора (к рис. 8.38)

Рис. 8.40. Векторная диаграмма напряжений (к рис. 8.39)

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

При определении напряжения на выходе частотного детектора необходимо учитывать, что в процессе частотной модуляции изменяются сопротивления, вносимые из второго контура в первый. Поэтому при неизменной амплитуде тока (промежуточной частоты) в цепи коллектора напряжение изменяется по закону

где — резонансное значение напряжения .

Наконец, выпрямленные напряжения на выходах двух амплитудных детекторов (см. рис. 8.38) зависят от угла отсечки 0. Практически можно исходить из условия

С учетом дифференциального включения нагрузок, окончательное выражение для напряжения звуковой частоты на выходе частотного детектора приводится к виду

Зависимость для различных значений параметра представлена на рис. 8.41. Умножая ординаты этих характеристик на а абсциссы на получаем характеристику частотного детектора в виде зависимости в вольтах от в герцах.

При выборе параметров контуров и величины связи основным требованием является обеспечение линейности характеристики частотного детектора и максимально возможной ее крутизны. С этой точки зрения наиболее предпочтительным является параметр связи при использовании характеристики на участке При этом максимальное значение (а) достигает приблизительно 0,25.

Рис. 8.41. Семейство характеристик двухконтурного частотного детектора:

В качестве примера сопоставим приведенные данные с параметрами частотного детектора, используемого в звуковом канале телевизионного приемника. Детектор включен на выходе усилителя промежуточной частоты , полоса пропускания и рассчитан на девиацию частоты Можно поэтому считать, что и максимальное значение обобщенной расстройки (на пиках ЧМ)

а максимальное значение

Напряжение частоты на входе частотного детектора обычно близко к 1 В (с учетом амплитудного ограничения). Следовательно, амплитуда напряжения звуковой частоты на выходе частотного детектора . Таким образом, крутизна характеристики детектора .

Из проведенного рассмотрения видно, что в схеме, представленной на рис. 8.38, осуществляются следующие преобразования: 1) девиация частоты входного колебания преобразуется в девиацию фазы напряжения девиация фазы напряжения (относительно фазы преобразуется в амплитудную модуляцию напряжений, приложенных к диодам; 3) амплитудное детектирование.

В последнее время стали применяться частотные детекторы, в которых преобразование девиации в девиацию фазы (при сохранении постоянства амплитуды) осуществляется в одиночном контуре, более простом, чем система связанных контуров в схеме на рис. 8.38. Затем ЧМ колебание, сдвинутое по фазе на угол также исходное ЧМ колебание преобразуются в меандровые напряжения, поступающие на схему совпадения (перемножитель). В результате на выходе перемножителя, называемого «детектором произведения», получаются прямоугольные импульсы, длительность которых изменяется пропорционально углу , а следовательно, и девиации ЧМ колебания.

Дальнейшая миниатюризация ЧД достигается при использовании опорного гетеродина в виде мультивибратора, вырабатывающего стабильное меандровое колебание, с которым исходное ЧМ колебание, также преобразованное в меандр, сравнивается в фазовом детекторе (перемножителе). В результате достигается такой же эффект, что и в описанном выше ЧД, но без колебательного контура. Таким образом, полностью исключаются катушки индуктивности и открывается возможность перехода на интегральные микросхемы.

Рассмотрим теперь принцип работы фазового детектора. Пусть фаза высокочастотного колебания, подлежащего детектированию, изменяется по закону . Если такое колебание подать на обычный частотный детектор, реагирующий на изм енение мгновенной частоты колебания, то напряжение на выходе детектора

т. e. 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

Простейшие интегрирующие устройства описаны в § 6.5. Подобный прием используется при детектировании колебаний с медленно меняющейся фазой, т. е. когда производная фазы конечна (например, при передаче речи). 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 сравниваемыми фазами. Подобные устройства рассматриваются в специальных курсах.