Детектирование на нелинейном элементе

 

В качестве нелинейного элемента выбирается обычно диод или транзистор. При использовании транзистора при детектировании происходит ещё и усиление. Различают два режима работы амплитудного детектора (АД): при сильном сигнале и при слабом сигнале.

Рассмотрим АД при сильном сигнале:

Транзисторный:

Диодный:

В обоих случаях ВАХ нелинейного элемента можно аппроксимировать линейной функцией.

В транзисторном АД получения подобной ВАХ добиваются выбором соответствующего режима работы.

После выпрямления на нелинейном элементе напряжение поступает на RC фильтр, который и осуществляет выделение огибающей. Рассказать, как это получается.

При использовании подобных детекторов в выходном сигнале могут присутствовать нелинейные искажения сигнала. Их величина, как правило, выражается коэффициентом гармоник.

Одна из причин появления нелинейных искажений – инерционность детектора. Нарисовать, объяснить. Условие отсутствия искажений в этом случае: скорость разряда конденсатора фильтра должна быть больше скорости спадания напряжения в любой точке модулирующей функции, соответствующей началу разряда конденсатора. Т.е. на интервалах времени убывания огибающей должно выполняться неравенство

Это неравенство приводится к виду.

Согласно этому неравенству постоянная времени фильтра АД должна быть меньше, чем наибольшая частота модуляции и коэффициент модуляции.

 

Влияние следующего каскада с проходной ёмкостью. Нарисовать параллельный диодный детектор.

Рассказать про искажения при слабом сигнале, когда ВАХ диода и транзистора квадратична. Появляются высшие гармоники. Перерисовать ВАХ, показать искажения синусоиды.

Режима работы при слабом сигнале в таких детекторах стараются избегать.

 

Синхронный детектор

 

Структурная схема

В результате перемножения опорного напряжения гетеродина

на входной сигнал

получим

Составляющая с двойной несущей частотой отфильтровывается ФНЧ и на выход поступает модулирующая функция. Фактически происходит преобразование частоты, перенос спектра на нулевую несущую частоту. На базе таких детекторов строят автодинные приёмники.

 

Детекторы импульсных сигналов

 

Различают два вида детектирования импульсных сигналов:

1. Детектирование радиоимпульсов – преобразование в видеоимпульсы, т.е. выделение огибающей каждого импульса из принятой последовательности;

2. Пиковое детектирование – выделение огибающей всей последовательности радиоимпульсов. Пиковое детектирование может осуществляться в два этапа. Вначале радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы, а затем после дополнительного усиления и временной селекции в видеоусилителе происходит пиковое детектирование последовательности видеоимпульсов.

Обычно интервал между импульсами намного превышает длительность импульса, поэтому детектирование каждого импульса можно рассматривать независимо. На втором этапе роль несущей выполняет последовательность видеоимпульсов.

 

 

Фазовые детекторы

 

Фазовые детекторы (ФД) преобразуют напряжение, модулированное по фазе, в напряжение, изменяющееся по закону модулирующей функции. Напряжение на выходе ФД определяется разностью фаз сравниваемых колебаний. Представим ФД в виде эквивалентного шестиполюсника

на который подаются напряжения

,

одно из этих напряжений (например, u₁) является напряжением детектируемого сигнала, а второе (u₂) опорным. Напряжение на выходе, пропорциональное разности фаз этих колебаний, можно получить в результате перемножения u₁ и u₂ и фильтрации верхних частот. Двойная частота ещё будет.

К – коэффициент пропорциональности. j - мгновенное значение разности фаз сравниваемых напряжений. Если частоты сигналов u₁ и u₂ равны, то выходное напряжение зависит только от разности фаз детектируемого и опорного напряжения. Если одно из напряжений предварительно повернуть на угол 90⁰, то зависимость выходного напряжения от разности фаз будет синусоидальная.

Это зависимость выходного напряжения от мгновенной разности фаз двух колебаний называется детекторной характеристикой.

При малых углах функцию синуса можно аппроксимировать линейной функцией. Участок АБ, на котором нелинейность детекторной характеристики достаточно мала, является рабочим участком.

Основными параметрами фазового детектора являются:

1. Крутизна характеристики, которая представляет собой производную выходного напряжения по фазовому углу в точке в точке максимума производной при заданных амплитудах входных сигналов.

2. Коэффициент передачи напряжения

3. Искажения при детектировании непрерывных (аналоговых) сигналов. Они зависят от линейности рабочего участка детекторной характеристики.

 

Балансный фазовый детектор векторомерного типа.

 

 

Перемножение сигналов осуществляется при помощи двух диодов в каждом из плеч балансного преобразователя, при помощи RC цепей осуществляется фильтрация высших гармоник сигнала.

Детекторная характеристика:

При U_m1<< U_m2 детекторная характеристика близка к косинусоиде, линейно зависит от амплитуды меньшего напряжения (сигнала) и не зависит от амплитуды большего (опорного) напряжения. Наибольшая линейность характеристики достигается при равенстве опорного и сигнального напряжений.

Опорное напряжение, вырабатываемое местным генератором, должно быть синхронизировано с несущей входного сигнала с точностью до фазы. Детектор симметричен относительно приложенных напряжений, поэтому безразлично, на какой из выводов подавать опорное напряжение.

Сравнить с амплитудным детектором и смесителем. В принципе можно и не балансный сделать. Он тоже перемножитель с фильтром.

В некоторых случаях к фазовым детекторам предъявляются высокие требования фильтрации комбинационных частот, тогда применяют кольцевые фазовые детекторы.

Их можно рассматривать как соединение двух балансных детекторов, работающих на общую нагрузку. Выходное напряжение такого детектора почти в 2 раза меньше, но за счёт диагональных диодов компенсируются чётные гармоники входного сигнала.

Для повышения коэффициента передачи и входного сопротивления можно использовать усилительные приборы, например, полевые и биполярные транзисторы.

В интегральном исполнении широко применяют детекторы – перемножители, построенные на основе управления крутизной дифференциальной транзисторной пары.

Фазовые детекторы коммутационного типа.

Схемотехнически такие ФД могут не отличатся от ФД векторомерного типа. Разница заключается в режиме работы активного или нелинейного элемента. Он работает в ключевом (коммутационном) режиме.

Описать принцип действия. Постоянная составляющая каждой фигуры разная, зависит от фазы.

 

Частотные детекторы

 

В частотных детекторах (ЧД) ЧМ-колебание преобразуется в колебение, модулированное по амплитуде, фазе, или в импульсно-модулированное колебание с последующим применением амплитудного, фазового или пикового детекторов.

ЧД с амплитудным преобразованием частотной модуляции.

Принцип действия таких ЧД основан на том, что при прохождении ЧМ колебания через дифференцирующую цепь выходное колебание приобретает дополнительную амплитудную модуляцию, причём закон изменения амплитуды полностью повторяет закон изменения частоты.

Пусть

.

Тогда на выходе дифференцирующей цепи с коэффициентом передачи К_ДИФ

Подав это напряжение на амплитудный детектор, получим на его выходе напряжение

пропорциональное изменению частоты.

Основные недостатки подобного ЧД проистекают от того, что изменение частоты при модуляции, как правило, намного меньше несущей частоты, по этому глубина амплитудной модуляции окажется не большой, и в продетектированном сигнале будет присутствовать значительная постоянная составляющая. Это происходит из-за того, что крутизна АЧХ в точке преобразования не велика.

В принципе, в качестве преобразующего элемента может служить не только дифференцирующая цепь, но и любое другое звено коэффициент передачи которого зависит от частоты. Например, колебательный контур. Точнее один из скатов его АЧХ, обладающий значительной крутизной.

Сначала схему нарисовать.

Два рабочих участка на скате АЧХ контура. Точка настройки КК не соответствует резонансу. Соответствует максимуму линейности участка.

В предположении линейности амплитудного детектора выпрямленное напряжение

Это уравнение описывает детекторную характеристику, которая по форме повторяет АЧХ резонансного усилителя. На скатах этой характеристики можно выбрать относительно линейные участки, пригодные для осуществления частотного детектирования. Крутизна детекторной характеристики в координатах U_-, x изменяется по закону

и имеет максимальное значение при расстройках x= ± 0.7.

Практически подобный простейший детектор применяется только в системах с узкополосной ЧМ, так как они не обеспечивают высокой линейности и крутизны детекторной характеристики.

 

Модуляция амплитуды сигнала осуществляется в контуре L_КC_К.

 

Балансные ЧД с двумя расстроенными контурами.

 

Сначала схему нарисовать.

Контуры ЧД настроены на частоты f₀₁ и f₀₂, расположенные симметрично по обе стороны от центральной частоты f₀ = f_С. Выпрямленные напряжения амплитудных детекторов, подсоединённых к контурам, включены встречно, и выходное напряжение образуется как разность выпрямленных напряжений.

 

Формирование детекторной характеристики.

Нарисовать АЧХ контуров и суммарную АЧХ. Всё объяснить.

 

Частотные детекторы с фазовым преобразованием частотной модуляции

 

В ЧД этого типа частотная модуляция преобразуется в фазовую и используется фазовый детектор для выделения модулирующей функции.

Принцип действия таких ЧД основан на том, что при прохождении ЧМ колебания через цепь, вносящую идеальную задержку, фазовый сдвиг выходного колебания, относительно входного, которое выполняет в данном случае роль опорного напряжения, повторяет закон изменения частоты.

 

В качестве цепи К(jw) может быть использован колебательный контур, ФЧХ которого в области малых расстроек весьма линейна.

В случае если начальный фазовый сдвиг цепи К(jw) не несущей частоте не равен 90⁰, то фазосдвигающая цепь может отсутствовать.

 

Борьба с ПАМ

 

При прохождении ЧМ сигнала через частотно зависимые цепи и активные усилительные элементы, в нём может появиться паразитная амплитудная модуляция, по тому же механизму, как и в ЧД с преобразованием ЧМ колебания в АМ. Наличие этой модуляции приведёт к появлению в выходном сигнале ЧД искажений. Поэтому перед тем как подать сигнал на вход ЧД, его обычно подвергают ограничению. Кроме того, существуют специальные виды ЧД с внутренним ограничением сигнала.

Дробный детектор.

Этот детектор, относится к типу ЧД с преобразованием частотной модуляции в фазовую. Благодаря наличию разнополярно включенных диодов осуществляется дополнительное компенсационное подавление ПАМ.

Сопротивления R_Н1 и R _Н2 выбирают равными. Постоянная времени С₀(R_Н1+R _Н2) выбирается настолько большой, чтобы детектор был инерционным для любого колебания ПАМ. То есть для ПАМ U₁+U₂ = const При изменении амплитуды входного напряжения.

Тоже для ПАМ можно представить

так как U₁+U₂ = const, а в отношении U₁/U₂ числитель и знаменатель изменяются одинаково, то и выходное напряжение от амплитудной модуляции зависеть практически не будет.

ЧД модуляционного типа. ЧД и ФД с преобразованеим к импульсным видам модуляции. Пусть сами.