Радиоприемные устройства (стр. 16 )

, (5.10)

. (5.11)

Рис. 5.10. Частотный детектор частотно-фазового типа (балансный частотный детектор)

При совпадении частоты входного сигнала Uвх с резонансной частотой контура L2C2 сигнал U2, снимаемый с этого контура, опережает на входной сигнал (напряжение, подводимое в среднюю точку L2, равно Uвх).

Поскольку выпрямленные напряжения UR1, UR2, действующие на резисторах R1, R2, пропорциональны напряжениям U3, U4 (рис. 5.10), то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности UR1 – UR2, на резонансной частоте будет равно нулю (Uвых=UR1–UR2=0).

При изменении частоты сигнала будет наблюдаться фазовый сдвиг отличный от между входным сигналом и сигналом, выделяемым на контуре L2C2, за счет добавления контуром дополнительного фазового сдвига. Из-за этого выпрямленные напряжения на резисторах UR1 и UR2 окажутся различными и на выходе детектора появится сигнал соответствующего знака и амплитуды.

Величина нелинейных искажений и крутизна характеристики детектора определяются фактором связи между контурами. В пределах заданной максимальной девиации частоты ЧМ сигнала характеристика детектора должна быть линейной. Расширить полосу пропускания (крутизна при этом будет снижаться) можно, зашунтировав один или оба контура резисторами, т. е. снизив добротности контуров.

Основными достоинствами детектора-дискриминатора являются:

·  высокая линейность детекторной характеристики;

·  оба контура детектора настраиваются на среднюю частоту входного сигнала;

·  при равенстве частоты входного сигнала частоте настройки резонансных контуров напряжение на выходе детектора равно нулю.

Недостатком детектора-дискриминатора является зависимость коэффициента передачи от амплитуды входного сигнала.

От этого недостатка свободен дробный детектор или, как его иначе называют, детектор отношений. Он не реагирует на быстрые изменения амплитуды сигнала и поэтому не нуждается в ограничителе. Структурная схема дробного детектора приведена на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Частотный детектор частотно-фазового типа

(дробный детектор)

Напряжения Uвх1 и Uвх2 на каждом из диодов детектора представляют собой сумму половины напряжения U2 на контуре L3C3 и напряжения U1 на дополнительной катушке индуктивности L2, которая индуктивно связана с катушкой L1. Сумма постоянных напряжений на конденсаторах С4, и С5 при изменениях частоты сигнала остается почти неизменной, так как параллельно этим конденсаторам включен электролитический конденсатор С7 большой емкости, напряжение на котором определяется амплитудой приходящего сигнала. Однако из-за большой емкости конденсатора С7 напряжение на нем не может изменяться быстро, поэтому при наличии быстрых изменений амплитуды сигнала напряжение на конденсаторе С7 определяется средним значением амплитуды входного сигнала. В связи с этим при паразитной амплитудной модуляции сигнала помехами сумма напряжений на конденсаторах С4, и С5 остаётся постоянной.

Если частота сигнала равна частоте настройки контуров, то амплитуды напряжений на диодах равны друг другу, напряжение на выходе детектора будет равно нулю.

Пусть мгновенная частота сигнала изменилась так, что амплитуда напряжения на диоде VD1 возросла, а на диоде VD2 уменьшилась, при этом арифметическая сумма этих напряжений не изменится. Постоянные составляющие токов обоих диодов получат приблизительно одинаковые по величине приращения противоположного знака, в результате чего на резисторе R1 появится напряжение, вызванное протеканием по нему разностного тока. Поскольку при неизменной сумме напряжений на конденсаторах С4 и С5 изменяется отношение, в котором суммарное напряжение делится между этими конденсаторами, такой детектор и называют детектором отношений или дробным детектором.

При частотной модуляции напряжение на резисторе R1 будет изменяться по закону модуляции, так как оно возникает за счет изменений постоянных составляющих токов диодов, происходящих с частотой модуляции. Напряжение частоты модуляции при этом выделяется на конденсаторе С6, и дальше подается на усилитель низкой частоты.

Рассмотрим процесс подавления паразитной амплитудной модуляции в дробном детекторе. Предположим, что амплитуда сигнала уменьшилась. При этом токи диодов убывают. Однако разряд конденсатора С7 через резисторы R5 R4 восполняет убыль тока, поддерживая напряжения на резисторах примерно постоянными. В результате, при уменьшении амплитуды входного напряжения уменьшаются углы отсечки токов в диодах, а, следовательно, увеличиваются входные сопротивления детекторов. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению шунтирования контуров преобразователя модуляции и уменьшению их эквивалентных проводимостей, благодаря чему напряжение сигнала на выходе преобразователя модуляции возрастает.

Если напряжение сигнала увеличилось, то соответственно увеличиваются и токи диодов. Однако опять-таки из-за большой постоянной времени нагрузки напряжение на резисторах R5 R4 не может резко измениться. Избыток тока диодов при этом идет на подзаряд емкости конденсатора С7, а ток через резисторы R5 R4, а, следовательно, и напряжение на них остаются практически неизменными. Поэтому при возрастании амплитуды входного напряжения увеличивается угол отсечки токов в диодах и входные сопротивления детекторов падают, что, в конечном счете, приводит к уменьшению амплитуды сигнала на выходе преобразователя модуляции.

Таким образом, подавление паразитной амплитудной модуляции в дробном детекторе обеспечивается за счет изменения шунтирующего действия амплитудных детекторов на колебательную систему преобразователя модуляции. Благодаря большой величине емкости конденсатора С7 выходное напряжение дробного детектора не зависит от быстрых изменений амплитуды сигнала. Однако при медленных изменениях амплитуды сигнала, за которыми будет успевать следовать напряжение на конденсаторе С7, паразитная амплитудная модуляция не подавляется. Практически дробный детектор лишь уменьшает паразитную амплитудную модуляцию на 17 - 40 дб. Емкость конденсатора C7 и сопротивление нагрузки выбирают так, чтобы постоянная времени =С7(R5+R4) была значительно больше периода нижней частоты в спектре модулирующего сигнала.

Структурная схема частотного детектора частотно-фазового типа на основе аналогового перемножителя приведена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Частотный детектор на основе аналогового перемножителя

Аналоговый перемножитель может использоваться в качестве фазового детектора, синхронного детектора, смесителя.

В первых каскадах происходит усиление ЧМ сигнала вплоть до ограничения. Через конденсаторы связи усиленное напряжение подается на колебательный контур, настроенный на среднюю частоту ЧМ сигнала, что приводит к появлению на контуре напряжения с дополнительной фазовой модуляцией. Выходное напряжение частотного детектора, построенного на основе аналогового перемножителя при условии, что опорное колебание на выходе избирательной цепи сдвинуто на угол 90° относительно ЧМ колебания входе, определяется выражением

. (5.12)

Детекторная характеристика частотного детектора на основе аналогового перемножителя в режиме ограничения входного и опорного сигналов будет определяться следующим выражением

. (5.12)

Наиболее часто такие частотные детекторы реализуются на основе интегральных микросхем (ИМС).

В состав микросхемы К174УР4 (рис. 5.13) входит: усилитель - ограничитель I, частотный демодулятор II, нерегулируемый предварительный усилитель низкой частоты III, регулируемый предварительный усилитель низкой частоты IV, источник опорного напряжения V.

Рис. 5.13. Структурная схема микросхемы К174УР4

Построение микросхемы требует минимального числа дополнительных внешних элементов.

5.2. Домашнее задание

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

1. Изучить принцип действия частотных детекторов;

2. Изучить варианты схем построения частотных детекторов;

3. Ответить на контрольные вопросы данной лабораторной работы.

5.3. Лабораторные приборы и оборудование

В лабораторной работе используются следующее оборудование:

1. Блок ЧМ детекторов.

2. Генератор звуковых частот.

3. Милливольтметр.

4. Частотомер.

5. Осциллограф.

5.4. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований процесса детектирования ЧМ, выполняемого на основе:

- расстроенного контура и диодного детектора;

- фазового детектора с одиночным контуром, входящего в состав микросхемы;

- дробного частотного детектора.

Внешний вид передней панели лабораторной установки со структурной схемой установки приведен на рис. 5.14.

Для формирования частотно-модулированного колебания используется встроенный ЧМ генератор. Регулировка частоты генерации происходит с помощью переменного резистора «Установка частоты».

В лабораторной установке предусмотрена возможность измерения уровня напряжения, подаваемого на варикапы «Смещение», и значения частоты на выходе ЧМ генератора «ЧМ генератор». Кроме того, предусмотрена возможность регулировки амплитуды ЧМ сигнала («Уровень ЧМ сигнала») на выходе ЧМ генератора. Для измерения коэффициента передачи частотного детектора предусмотрено гнездо для подключения к ЧМ генератору внешнего генератора звуковых частот «Сигнал модуляции».