fon1

Амплитудные и частотные детекторы приемников.

Детекторы приемников преобразовывают (детектируют) модулированные колебания высокой частоты в электрические низкочастотные колебания. Основными элементами детекторов являются диоды и реже - транзисторы. Обычно детектор подключается через высокочастотный трансформатор к выходу УВЧ приемника прямого усиления или к последнему контуру УПЧ супергетеродинного приемника.
В радиовещании, телевидении и сотовой связи применяются амплитудная и частотная модуляции.

Амплитудное детектирование.

detektor1

На рис.1 приведены графики входного высокочастотного амплитудно - модулированного сигнала (АМС) Uвх и полученного выходного низкочастотного сигнала Uвых после детектирования диодным детектором. Рассмотрим подробно, как происходит детектирование в этом случае.
Если на вход детектора поступает напряжение высокой частоты с постоянной амплитудой u = U cosωt (рис.2а), то в цепи диода возникает пульсирующий ток, величина импульсов которого будет неизменной во времени (рис.2б). detektor2 Пульсирующий ток i, протекающий в цепи диода можно представить в виде суммы постоянной составляющей Iпост. (среднего значения выпрямленного тока) и ряда переменных составляющих:
i = Iпост. + I1·U cosωt + I2·U cos2ωt + I3·U cos3ωt + ...,
где I1 - амплитуда первой гармоники;
I2, I3 - амплитуды высших гармоник.
Среднее значение выпрямленного тока показано прямой линией и равно Iпост = 0,45Uвх/Rн, где Rн - нагрузочное сопротивление детектора.
На рис.3а показано детектирование (АМС), который уже, кроме составляющей высокой частоты, содержит составляющую низкой частоты.
detektor3 Последовательная схема детектора на рис.3б имеет нагрузочное сопротивление R, включенное последовательно с диодом VD. Модулированное напряжение высокой частоты, снимаемое с входного контура, подается на диод, который пропустит только положительную волну сигнала. Амплитуда среднего значения тока (Iнч), проходящего через диод, будет изменяться как промодулированный низкочастотный сигнал. Этот ток создаст на резисторе R напряжение, пульсирующее со звуковой частотой. Для увеличения тока Iнч, сопротивление берут большой величины - 0,1 ÷ 0,5 МОм.
Чтобы напряжение на нагрузочном резисторе R изменялось по закону, близкому к закону модуляции, его шунтируют конденсатором С. Величину емкости С выбирают такую, чтобы сопротивление конденсатора для тока высокой частоты было небольшим, а для звуковой частоты - наибольшим (200 ÷ 400 пФ).
В этом случае положительные полупериоды будут быстро заряжать конденсатор и напряжение на нем будет близким к амплитуде детектированного сигнала. В отрицательные полупериоды небольшой обратный ток диода будет перезаряжать конденсатор и несколько уменьшать на нем напряжение, возникшее во время положительной полуволны сигнала. В результате этого напряжение на конденсаторе, а значит, на нагрузке детектора во время отрицательной полуволны сохранится почти постоянным, т.е. близким к амплитуде детектированного сигнала.
detektor4 Этот продетектированный сигнал через разделительный конденсатор Ср, емкостью в несколько тысяч пикофарад, чтобы легко пропускал низкочастотный сигнал, подается на вход усилителя низкой частоты приемника.
В карманных и переносных радиоприемниках применяют транзисторные коллекторные детекторы АМС (рис.4). Начальная рабочая точка в таком детекторе часто выбирается при нулевом смещении на базе. В этом случае транзистор в исходном состоянии практически заперт. Детектирование происходит как в цепи базы, так и в цепи коллектора.

Частотное детектирование.

С развитием радиоприемной техники повышались требования к чувствительности радиоприемника, к его полосе пропускания и избирательности. Все эти требования нельзя решить, используя амплитудную модуляцию при трансляции радиовещания, т.к. сейчас многократно увеличилось количество электро и радиустройств, которые приводят к возрастанию помех от их работы.
detektor5 Применение частотной модуляции (ЧМ) для передачи сигналов значительно ослабляет действие помех (более чем в 100 раз) на радиоприемник и повышает его реальную чувствительность. При ЧМ амплитуда колебаний остается неизменной, а подлежащая передача НЧ информация переносится изменениями ВЧ несущей частоты сигнала.
На рис.5 приведены графики поясняющие образование ЧМ колебаний. Низкочастотные колебания (рис.5а) воздействуют на получаемые в генераторе высокочастотные колебания (рис.5б). В результате этого частота ВЧ колебаний будет изменяться по времени по закону звуковой частоты, а амплитуда будет оставаться неизменной (рис.5в). При положительных полупериодах звуковой частоты частота высокочастотных колебаний будет увеличиваться, при отрицательных - уменьшаться.
detektor6 Спектр частот, излучаемый радиостанцией, занимает полосу 150 кГц и, практически, для одной станции отводится канал с полосой в 250 кГц. Иметь такую ширину канала можно только в УКВ диапазоне.
Частотным детектированием называется преобразования ЧМ сигнала в колебания низкой частоты. Для этого в частотном детекторе модулированный по частоте сигнал преобразуется в сигнал, который модулирован по амплитуде. Затем он при помощи амплитудного детектора детектируется в сигнал звуковой частоты.
На изменение амплитуды частотно - модулированных сигналов (ЧМС) (рис.6) влияют помехи и внутриприемные шумы. Сигналы шумов, которые мало отличаются по частоте от модулирующего сигнала, усиливают амплитуду этого сигнала. Если сам детектор ЧМ сигнала чувствителен к изменениям амплитуды,тогда в приемном устройстве перед детектором включают ограничитель амплитуды (рис.6в).При ЧМС действие ограничителя по амплитуде устраняет изменения сигнала без нарушения НЧ колебаний
При ограничении АМС (рис.6в) устраняется только частично амплитудное изменение сигнала от помех (рис.6г) и, в конечном счете, приводит к нелинейным искажениям низкой частоты (рис.6д).

Детектор с расстроенным контуром

detektor7

Идеальная характеристика детектора ЧМ приведена на рис.7, где показана зависимость постоянного выходного напряжения от частоты сигнала. На графике ∆fмакс - максимальная девиация частоты сигнала от ее среднего значения.
Самым простой способ преобразования ЧМС в АМ сигнал основан на применении расстроенного входного колебательного контура относительно среднего значения частоты ЧМ сигнала fо.
detektor8 На (рис.8а). показана кривая избирательности входного контура детектора, у которого fp - резонансная частота. При малом диапазоне частоты сигнала fмин — fмакс можно настроить контур так, чтобы его средняя точка "0" соответствовала частоте немодулированного сигнала fо. Тогда изменения частоты сигнала будут происходить в пределах этой боковой ветви и при росте частоты f(t) (рис.8б) увеличиваться напряжение на контуре Uвх.д. (рис.8в).
При понижении частоты - напряжение уменьшится. На контуре получается сигнал, модулированный по амплитуде (рис.8г) Чем прямолинейней боковая ветвь кривой полосы избирательности, тем точнее амплитудная модуляция.
Но при таком методе детектирования напряжение на контуре становится меньше резонансного, что понижает выходное напряжение детектора. Поэтому эффективность такого детектора ЧМС сравнительно низкая и на практике мало применяется.
В современных приемниках наибольшее применение получили частотные детекторы с настроенными контурами - дифференциальный и дробный.

Дифференциальный детектор.

На рис.9 показана схема дифференциального частотного детектора. Каскад на транзисторе Т1 является ограничителем амплитуды. Частотно - избирательные контуры связаны индуктивно между собой и конденсатором Ср, который соединяет высокопотенциальный верхний полюс первого контура и среднюю точку второго контура.
detektor9 По постоянному току цепь диода Д1 замыкается через резистор R1, катушку дросселя Lдр и верхнюю половину второго контура. В результате на R1 cоздается постоянное напряжение u1.
Постоянный ток диода Д2 замыкается через R2, Lдр и нижнюю катушку второго контура. На R2 будет постоянное напряжение u2. Результирующее выходное напряжение детектора будет являться алгебраической сумме напряжений u1 и u2, но т.к. эти напряжения включены навстречу друг к другу, то они равны их арифметической разнице.
Катушка дросселя необходима для того, чтобы по переменному току сравнительно большая емкость Ср не подключалась к первому контуру через конденсатор С2 и не расстраивала его. Поэтому индуктивное сопротивление дросселя должно превышать в 5 - 10 раз резонансное сопротивление контура.
Напряжения плеч детектора u1 и u2 являются векторными величинами и поэтому надо определить, как они зависят от фазовых соотношений между вектором входного напряжения на первом контуре U1 и векторами напряжения в каждой половине второго контура - U'2 и U"2.
Рассмотрим эквивалентную схему второго контура на рис.10 и векторную диаграмму токов и напряжений при резонансе на нем. Здесь Ем - э.д.с. самоиндукции на катушке L2, которая противофазна, по закону электротехники, напряжению U1 на L1.
detektor10 Ток I2 совпадает с по фазе с Ем и создает на половинках L'2 и L"2 напряжения U'2 и U"2, которые сдвинуты относительно его на 90˚ и, относительно средней точки катушки, противоположны по фазе. Поэтому вектор U1 составляет с векторами U'2 и U"2 угол 90˚. При отличии частоты входного сигнала от частоты настройки контуров колебательная система не будет находиться в резонансе и между этими векторами угол сдвига фаз будут отличаться от 90˚.
На рис.11 приведены векторные диаграммы напряжений, которые действуют в каждом плече детектора.
detektor11 В том случае, когда модуляция отсутствует и девиация частоты равна нулю (∆f = 0) (рис.11а), колебательная система будет в резонансе. Тогда величины u1 и u2 одинаковы и выходное напряжение, равное арифметической разности этих напряжений, равно нулю.
Векторная диаграмма "б" показывает положительную девиацию частоты +∆f, а диаграмма "в" - отрицательную девиацию -∆f. В обоих случаях резонанса в контурах нет, и поэтому сдвиг по фазе между напряжениями U1 и U2 или меньше или больше 90˚, что нарушает равенство между векторами u1 и u2 и выходными напряжениями на нагрузках в плечах двухтактного детектора. На выходе получается напряжение НЧ у которого амплитуда пропорциональна девиации частоты.
Можно сделать вывод, что периодическое отклонение ЧМС от среднего значения приводит к нарушению баланса плеч детектора и появлению на его выходе сигнала низкой частоты.

Дробный детектор.

На рис.12 приведена схема дробного детектора, или, как еще его называют, детектора отношений. Схема и работа этого детектора похожа на принцип работы дифференциального детектора (рис 9) . Различие состоит в том, что диоды включены, по отношению к входу, в разной полярности. Так же добавился резистор нагрузки R3 и электролитический конденсатор большой емкости (единицы и десятки мкФ) С4.
Особенностью дробного детектора является его слабая чувствительность к быстрым изменениям амплитуды сигнала. Поэтому перед ним уже не нужен ограничитель амплитуды. Правда, уровень искажений сигнала при увеличении девиации, будет выше, чем в предыдущем детекторе.
detektor12 Здесь высокочастотные токи замыкаются на общий провод через конденсаторы малой емкости С1, С2 и С3. Путь постоянного тока Д1 - это резисторы R1, R3, L и L'2. Цепь Д2 - R2, R3, L, L"2. Отсюда видно, что общий постоянный ток плеч детектора проходит через общий нагрузочный резистор R3. Полярность падения напряжений на R1 и R2 будет уже не встречное, как у дифференциального детектора, а одного направления.
При отсутствии ЧМС на входе токи диодов (Iо) будут равны и провотивоположны по направлению. Следовательно, создаваемые ими напряжения взаимно компенсируются и на выходе будет ноль.
При появлении ЧМС токи на входах плеч детекторов будет отличаться друг от друга - один увеличится на ∆I , а другой уменьшатся на столько же. Суммарное изменение тока низкой частоты, которое протекает через R3 равно:
Iω = (Iо + ∆I) - (Iо - ∆I) = 2∆I.
Ток Iω создает на R3 падение напряжения у которого амплитуда и полярность соответствует модулирующему напряжению.
А амплитудное ограничение в детекторе происходит следующим образом. На каждом из резисторов R1 и R2 (нагрузок плеч детекторов) при детектировании происходит определенные падения напряжения, которые меняются по закону мудулирующего сигнала, но сумма которых, с течением времени остается почти постоянная:
u1 + u2 ≈ const.
При действии помехи амплитуда входного сигнала начнет быстро возрастать, и, соответственно, возрастают токи диодов. Это, вроде бы, должно увеличить напряжения на R1, R2 и их сумму u1 + u2. Но т.к. параллельно им включен конденсатор большой емкости С4, то быстро изменяться напряжение на нем не сможет и останется прежним. Поэтому увеличение тока диодов приведет только к дополнительному заряду С4.
Получается, что при увеличении амплитуды входного сигнала токи диодов увеличиваются, а напряжения на их нагрузках остаются прежними. А это, согласно закону Ома (R = U/I), эквивалентно уменьшению сопротивления нагрузки диодов, и, следовательно, их входного сопротивления. Последнее повышает шунтирующее действие детекторов на второй контур, увеличивает его эквивалентное затухание, что будет противодействовать возрастанию амплитуды сигнала на этом контуре.
При быстром уменьшении амплитуды токи диодов уменьшаются, но напряжение на нагрузке остается неизменным. Это, все равно, что увеличивается входное сопротивление, которое приведет к увеличению напряжения на втором колебательном контуре.
Таким образом , большая инерционность нагрузки диодов существенно противодействует быстрым изменениям амплитуды детектируемого сигнала.
А дробные, или детекторы отношений, называются так потому, что выходное напряжение равно отношению на нагрузке:
Uвых ≈ u1/u2.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet