Принцип действия и структурные схемы частотных детекторов

 

Частотным детектором (ЧД) называют устройство, служащее для получения напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала.

Рисунок 13.1 Графики напряжений на входе и выходе ЧД

 

На входе детектора действует напряжения изменяющейся частоты (рисунок 13.1, а).

Если угловая частота сигнала на входе ЧД меняется, например, по закону (рисунок 13.1, б), где - угловая частота несущего колебания, - девиация угловой частоты входного сигнала, - угловая модулирующая частота, то напряжение на выходе ЧД должно меняться в соответствии с рисунок94, в.

Поскольку спектр напряжения на выходе ЧД содержит частотные составляющие, которых не было в спектре входного сигнала, ЧД нельзя реализовать с помощью линейной цепи с постоянными параметрами, так как на ее выходе не могут возникать новые частотные составляющие.

Частотное детектирование осуществляется в устройствах, соединяющих в себе линейные и безынерционные нелинейные системы.

Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании ЧМ-колебания в линейной системе в колебание с другим видом модуляции с последующим детектированием преобразованного колебания безынерционной нелинейной цепью.

Структурная схема ЧД показана на рисунке 13.2, а, амплитудный ограничитель служит для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ-колебания.

На рисунке 13.2, б дана характеристика детектирования однотактного ЧД , которая не заходит в область отрицательных значений .

Преобразовать ЧМ – колебание можно в следующие виды колебаний:

 

 

Рисунок 13.2 Общая структурная схема и характеристика детектирования однотактного ЧД

 

1) в фазочастотное колебание с последующим фазовым детектированием;

2) в импульсы с переменной скважностью с последующим детектированием импульсным детектором, напряжение на выходе которого пропорционально длительности импульсов, и т.д.

Структурная схема балансного ЧД показана на рисунке 13.3, а, а его характеристика детектирования – на рисунке 13.3, б.

Устройство имеет два детектора преобразованного напряжения и цепь вычитания. Преимущества такого ЧД по сравнению с небалансным следующие:

1) характеристика детектирования более линейная, поскольку четные гармоники в балансной цепи компенсируются;

2) характеристика детектирования проходит через нуль, поэтому напряжение соответствует знаку отклонения звуковой частоты от несущего значения . Это дает возможность использовать балансные ЧД в цепях автоматической подстройки частоты (АПЧ).

 

Рисунок 13.3 Структурная схема и характеристика детектирования балансного ЧД

 

Виды частотных детекторов

13.2.1 ЧД с преобразованием отклонения частоты в изменение амплитуды

В таких детекторах ЧМ-колебание преобразуется в АЧМ-колебание в расстроенных относительно несущей частоты резонансных цепях с последующим детектированием амплитудным детектором.

Частотный детектор с одиночным контуром. Преобразование ЧМ-колебания в детекторе (рисунок 13.4), осуществляется в резонансном -контуре на наклонном участке его АЧХ, где зависимость от близка к линейной.

Рисунок 13.4 Частотный детектор с одиночным контуром

 

Рисунок 13.5 АЧХ ЧД

 

Таким образом, действие данного вида ЧД происходит с расстроенным относительно частоты сигнала контуром. При использовании наклонного участка АЧХ контура возникает сопутствующая модуляция (рисунок 13.5), при которой закон изменения амплитуды напряжения на контуре соответствует закону изменения частоты входного сигнала.

Напряжение с контура подается на амплитудный детектор, после которого .

Напряжение на контуре

,

где ; - амплитуда тока первой гармоники на выходе АО; - эквивалентное затухание контура.

Тогда

где - коэффициент передачи амплитудного детектора.

Рисунок 13.6 Характеристика детектирования ЧД

 

Характеристика детектирования, построенная согласно выражению для , показана на рисунке 13.6; она по форме совпадает с АЧХ используемой в ЧД линейной цепи (с резонансной характеристикой колебательного контура).

Балансный ЧД с взаимно – расстроенными контурами. Такой ЧД представляет собой два ЧД с одиночными контурами (рисунок 13.7);

 

Рисунок 13.7 Балансный ЧД с взаимно – расстроенными контурами

 

- контур первого ЧД настроен на частоту , превышающую на , а - контур – на частоту , которая на ниже средней частоты входного сигнала . При , , и напряжение на выходе ЧД (рисунок 13.8, а) .

 

Рисунок 13.8 Графики напряжений на выходе ЧД

 

При , напряжение на первом контуре становится больше, чем напряжение на втором контуре, и соответственно ; .

При , , напряжение (рисунок 13.8, а).

Выводы:

1. Характеристика детектирования балансного ЧД с взаимно–расстроенными контурами практически симметрична, поэтому при детектировании отсутствуют искажения по второй гармонике.

2. При сильной взаимной расстройке контуров характеристика детектирования становится нелинейной (рисунок 13.8, б).

 

13.2.2 ЧД с преобразованием отклонения частоты в изменение фазового сдвига

Комплексный коэффициент усиления усилителя с колебательным контуром имеет ФЧХ (рисунок 13.9, а).

Согласно ФЧХ, фазовый сдвиг в некоторых пределах пропорционален расстройке. Это позволяет использовать колебательный контур для преобразования изменений частоты в изменения фазового сдвига с последующим фазовым детектированием.

Частотный детектор с одиночным контуром (рисунок 13.9, б).

-контур настроен на среднюю частоту детектируемого напряжения.

Ток детектируемого сигнала наводит в контуре ЭДС, которая вызывает в нем ток . Этот ток создает на контуре напряжение , сдвиг фазы которого зависит от частоты детектируемого сигнала (рисунок 13.9, а).

Одновременно ток создает напряжение в катушке связи , фаза напряжения практически совпадает с фазой тока в широкой полосе частот.

 

Рисунок 13.9 Частотный детектор с одиночным контуром и его ФЧХ

 

 

Результирующее напряжение с амплитудой

детектируется АМ-детектором, состоящим из диода и нагрузки , .

Напряжение на выходе АМ-детектора пропорционально .

Поскольку напряжение зависит от фазового сдвига , продетектированное напряжение также зависит от частоты.

Вывод:

В частотном детекторе для преобразования ЧМ-колебания в ФЧМ-колебание используется колебательный контур, в котором отклонения частоты преобразуются в изменения фазового сдвига с последующим фазовым детектированием.

Частотный детектор со связанными контурами (рисунок 13.10).

Обычно плечи ЧД выполняют одинаковыми,

поэтому ; .

 

Рисунок 13.10 Частотный детектор со связанными контурами

Для преобразования ЧМ-колебаний используют линейную цепь из двух индуктивно связанных контуров и . Контуры настроены на частоту , равную средней частоте сигнала.

На выходе линейной цепи включены два диодных детектора, на нагрузках которых выделяют продетектированные напряжения и .

Так как диоды и одинаковы, а , то коэффициенты передачи диодных детекторов равны . Тогда

, ,

где , - высокочастотные напряжения на диодах.

Постоянная составляющая тока диода протекает по цепи

,

а постоянная составляющая тока – по цепи

.

Высокочастотный дроссель служит для замыкания цепи постоянной составляющей тока диода.

Специального вычитающего устройства в ЧД нет, а используется простое сложение напряжений и в противоположной полярности, следовательно,

. (11.1)

Согласно (1), для определения необходимо найти напряжения и . Для этого укажем цепь протекания высокочастотной составляющей тока диода :

.

К диоду приложено два напряжения: половина напряжения на втором контуре и напряжение на первом контуре , т.е.

.

Напряжение выделяется на дросселе , подключенном по высокой частоте параллельно -контуру; наличие напряжения необходимо для нормальной работы ЧД.

Дроссель подключен параллельно первому контуру. Для того чтобы индуктивность не влияла на индуктивность первого контура, ее выбирают исходя из условия

.

По аналогии, для диода можно записать

;

знак минус обусловлен тем, что если к диоду прикладывается плюс напряжения , то в этот же момент времени к диоду прикладывается минус напряжения .

Принцип работы ЧД со связанными контурами поясним с помощью векторных диаграмм (рисунок 13.11).

 

Рисунок 13.11 Векторные диаграммы

 

Предположим, что (средняя частота сигнала совпадает с частотой настройки контура).

В качестве исходного берем вектор напряжения , его фазу принимаем равной нулю (рисунок 13.11, а), ЭДС, наводимая во втором контуре,

.

Согласно выражению для фаза ЭДС совпадает с фазой .

Ток во втором контуре, вызываемый ЭДС ,

;

при резонансе ,

т.е. фаза тока во втором контуре при совпадает с фазой . Таким образом, векторы , и при совпадают по фазе (рисунок 13.11, а).

Определим напряжение на втором контуре . Это напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90°. Половина напряжения , действующая относительно средней точки катушки индуктивности , прикладываемая к диоду , опережает напряжение на 90°; другая, прикладываемая к диоду , отстает от этого напряжения на 90°, т.е. совпадает с . Сложив векторы и , найдем вектор напряжения , а векторы и – вектор .

Из векторных диаграмм рисунок104, а видно, что ; следовательно, , .

Построим векторную диаграмму для (рисунок 13.11, б). В качестве исходного берем вектор , так как ЭДС , то ее фаза совпадает с фазой .

Ток во втором контуре

;

при сопротивление для тока имеет индуктивный характер, следовательно, ток при отстает по фазе от ЭДС .

Напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90°. К диоду приложено напряжение , которое отстает от тока на 90°, а к диоду – напряжение , опережающее ток на 90°. Сложив соответствующие векторы, определим и .

Из диаграммы рисунок 13.11, б при следует, что ; при этом и .

Рисунок 13.12 Форма характеристики детектирования ЧД

 

Форма характеристики детектирования ЧД показана на рисунок105, она зависит от добротности контуров и степени связи между ними.

Выводы:

1) К каждому из диодов ЧД со связанными контурами приложено напряжение, складывающееся из половины напряжения на втором контуре и напряжения на первом контуре. Напряжение на диоде : , напряжение на диоде : .

2) С изменением частоты относительно меняется фазовый сдвиг между ЭДС , наводимой во втором контуре, и током во втором контуре, что приводит к изменению напряжений и на диодах, а следовательно, напряжения .

Дробный ЧД. Характерной особенностью дробного ЧД является малая чувствительность к амплитудной модуляции детектируемого напряжения, благодаря чему отпадает необходимость в АО.

Схема дробного ЧД (рисунок 13.13) является вариантом схемы ЧД со связанными контурами; ее отличие состоит с способе включения диодов и нагрузки, а также в введении катушки связи вместо дросселя .

Рисунок 13.13 Схема дробного ЧД

 

Каждое из ВЧ напряжений и , подводимых к диодам и представляет собой сумму двух напряжений: напряжения на катушке связи и половины напряжения на втором контуре .

Напряжение , т.е. по фазе оно совпадает с напряжением на первом контуре. Поэтому векторные диаграммы, рассмотренные при анализе работы ЧД со связанными контурами, остаются справедливы и для дробного ЧД; различие состоит лишь в том, что вместо напряжения при построении векторных диаграмм дробного ЧД необходимо использовать напряжение , которое несколько меньше .

В дробном ЧД в отличие от ЧД со связанными контурами полярность диода изменена на обратную; при этом напряжение

.

Это напряжение подводится к конденсатору настолько большой емкости, что напряжение на нем не успевает реагировать на быстрые изменения амплитуды входного сигнала.

Следовательно, в процессе работы ЧД может меняться только отношение , а не их сумма. Именно по этой причине ЧД называют дробным (иногда детектором отношения).

Поскольку диоды и включены согласованно, постоянная составляющая тока обоих диодов протекает по одной и той же цепи:

.

При этом .

Продетектированное напряжение на выходе ЧД снимается со средней точки делителя напряжения .

Обычно , поэтому напряжение на каждом резисторе равно .

Как следует из рисунка 13.13, напряжение на выходе ЧД равно разности напряжений на конденсаторе и резисторе , т.е.

.

Следовательно, продетектированное напряжение в дробном ЧД в два раза меньше, чем в ЧД со связанными контурами.

При действии на входе дробного ЧД ЧМ-колебания напряжения и изменяются так же, как в ЧД со связанными контурами, что приводит к изменению и , а следовательно, и .

Напряжение на создается током диода , а напряжение на – током диода .

С изменением частоты меняется отношение , а их сумма остается постоянной. Это происходит по двум причинам:

1) при ЧМ напряжения и изменяются с противоположным знаком (если возрастает, то уменьшается);

2) емкость конденсатора настолько большая, что напряжение на ней не успевает следить за изменениями напряжения , происходящими из-за модуляции сигнала.

Напряжения

; ,

где - углы отсечки токов диодов и .

Эти диоды работают при постоянном смещении , поскольку напряжение является источником смещения диодов. Поэтому при изменении амплитуды напряжения на диоде угол также меняется: с увеличением напряжения угол увеличивается, и наоборот.

Так как постоянная составляющая тока для диодов и одинакова, то при изменении напряжений и из-за ЧМ углы отсечки и у диодов различны.

Рассмотрим механизм подавления паразитной АМ в дробном ЧД.

Положим, амплитуда входного напряжения из-за паразитной АМ быстро увеличилась, в результате чего возрастают напряжения и и напряжения и . Однако напряжения и увеличатся в меньшей степени, чем напряжение , по двум причинам:

1) с увеличением и углы отсечки токов диодов увеличатся, что приведет к уменьшению входного сопротивления диодного детектора, а следовательно, к росту шунтирующего действия детекторов на колебательные контуры. Это вызовет уменьшение напряжения на резонансной системе;

2) при увеличении и из-за увеличения углов отсечки и и уменьшатся, а следовательно, снизится коэффициент детекторов. Поскольку , , уменьшение при возрастании и вызовет незначительное увеличение напряжений и .

Выводы:

1) Векторные диаграммы, рассмотренные при анализе ЧД со связанными контурами, справедливы и для дробных ЧД. Благодаря включению конденсатора большой емкости при изменении частоты ЧМ-колебания меняется отношение , а их сумма остается практически неизменной.

2) Дробных ЧД малочувствителен к паразитной АМ детектируемого сигнала. Например, при увеличении напряжения и возрастают меньше из-за увеличения шунтирующего действия диодных детекторов на колебательные контуры и уменьшения их коэффициентов передачи.

 

13.2.3 ЧД с преобразованием ЧМ-колебания в импульсное напряжение с переменной скважностью

Такие детекторы выполняют на дискретных логических элементах, из называют импульсными (испульсно-счетными).

Схема импульсного ЧД показана на рисунка 13.14, где УФ – устройства формирования для преобразования аналогового сигнала в импульсное напряжение; ИД – импульсные делители частоты.

 

 

Рисунок 13.14 Схема импульсного ЧД

 

 

Одна из реализаций импульсного ЧД по схеме 13.14 показана на рисунке 13.15.

Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы ЧД, на рисунке 13.16, а – к.

Импульсный ЧД имеет два входа: на один подается ЧМ-сигнал (рисунок 13.16, а), на другой – опорное колебание (рисунок 13.16, д).

В качестве и использованы компараторы с гистерезисом ( и ) и цепи ( и ); форма напряжения на выходе (на выходе ) показана на рисунке 13.16, б, а на выходе (на выходе ) – на рисунке 13.16, ж.

 

Рисунок 13.15 Схема импульсного ЧД

Резисторы и компараторов выбирают так, чтобы обеспечить гистерезис переключения. Параллельно резисторам и включают конденсаторы и небольшой емкости, которые, не снижая существенно быстродействия, защищают схему от паразитных импульсов, возникающих при пересечении входным сигналом порогового уровня (в данном случае ).

 

Рисунок 13.16 Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы ЧД

 

В качестве делителей частоты и применены цифровые счетчики ( и ). Импульсы с выхода (рисунок109, в) имеют период следования

,

где - частота сигнала на первом входе ЧД.

После дифференцирования цепью , и одностороннего ограничения диодом импульсы (рисунок109, г) подаются на вход асинхронного - триггера .

Делитель работает в стартстопном режиме. При появлении напряжения логической единицы на выходе триггера при действии импульса счетчик открывается по входу обнуления и начинает считать импульсы частоты .

При приходе -го импульса через время (рисунок 13.16, ж) на выходе счетчика появляется напряжение логической единицы, которое, воздействуя на вход триггера , переводит его в состояние «0» (рисунок 13.16, е), после чего счетчик обнуляется и запирается по входу .

Таким образом, на выходе счетчика действуют импульсы (рисунок 13.16, з).

Каждый импульс и переводит триггер из одного состояния в другое; напряжение на выходе триггера показано на рисунок 13.16, е.

Напряжение прикладывается к преобразователю уровня (см.рисунок 13.17), который должен исключить постоянную составляющую напряжения .

Это обеспечивается в ЧД по схеме рисунок 13.15 с помощью цепи и балансной транзисторной цепи на транзисторах , и ; форма напряжения на выходе представлена на рисунке 13.16, и.

Для можно использовать МОП-транзисторы, цепи стабилизации напряжения с ограничителями на диодах и быстродействующие операционные усилители с регулировкой тока постоянной составляющей в точке суммирования.

НЧ составляющая, выделяемая из напряжения фильтром нижних частот ФНЧ (рисунок109, к),

.

При , получим

. (13.2)

Согласно (11.2), напряжение линейно зависит от частоты , следовательно, ЧМ-сигнал следует подавать на первый вход ЧД.

 

 

Рисунок 13.17 Характеристика детектирования ЧД

 

Характеристика детектирования, построенная согласно 13.2, показана на рисунке 13.9.

Решив (13.2) относительно при