Детектори ЧМ-коливань

Детектори частотно-модульованих коливань формують вихідний сигнал, що змінюється за законом зміни частоти детектованого радіосигналу.

До основних характеристик детекторів ЧМ-коливань слід віднести:

− дискримінаційну характеристику, тобто характеристику, яка відображає залежність величини вихідного сигналу детектора від частоти вхідного при незмінній амплітуді останнього (рис. 3.1);

Рис. 3.1. Дискримінаційна характеристика детектора ЧМ коливань.

− крутизна дискримінаційної характеристики, тобто параметр, що відображає залежність зміни величини вихідної напруги детектора від зміни частоти детектованого радіосигналу

За принципом роботи детекторів частотно-модульованих коливань прийнято розрізняти такі основні різновиди детекторів: частотно-амплітудні, частотнофазові, імпульсно-лічильні.

У першому випадку зміна частоти радіосигналу перетворюється у відповідну зміну амплітуди несучих коливань. У подальшому здійснюється амплітудне детектування складного частотно-амплітудно-модульованого коливання.

У випадку частотно-фазового детектування зміна частоти радіосигналу перетворюється у відповідну зміну фази коливань. У подальшому здійснюється фазове детектування складного частотно-фазо-модульованого коливання. При цьому опорним сигналом фазового детектора служить сам частотно-модульований радіосигнал.

У випадку імпульсно-лічильних детекторів зміна частоти радіосигналу призводить до зміни частоти прямування прямокутних імпульсів фіксованої тривалості та амплітуди.

Розглянемо перший випадок частотно-амплітудного детектора.

Перенесення зміни частоти частотно-модульованого сигналу у відповідну зміну амплітуди коливань, тобто перетворення ЧМ-сигналу у складний частотно-амплітудно-модульований сигнал, як правило, здійснюється завдяки використанню резонансних властивостей паралельного коливального контуру (рис. 3.2.).

Зміна частоти вхідного сигналу буде призводити до зміни коефіцієнта поділу дільника вхідної напруги, утвореного роздільним конденсатором С_Р і коливальним контуром (рис.3.2).

а)

б)

Рис. 3.2. Перетворення частотно-модульованого сигналу в сигнал з частотно-амплітудною модуляцією: а) електрична схема перетворювача; б) осцилограми вхідного та вихідного сигналів

Рис.3.3. Принцип перетворення ЧМ-сигналу в ЧМ-АМ – сигнал

Якщо вибирати (як зображено на рис.3.3), то зростання частоти вхідного сигналу буде призводити до зростання амплітуди сигналу на виході роздільника (рис.3.2) і відповідно при зниженні частоти амплітуда коливань на виході роздільника зменшується. Діапазон пропорційності залежності зміни амплітуди коливань від їх частоти в даному випадку відносно вузький і обмежується лінійною ділянкою резонансної характеристики коливального контуру. Розширити область лінійності, а значить, розширити динамічний діапазон детектора можна використавши два коливальних контури з близькими величинами частот резонансу. Як правило, різниця частот резонансів контурів вибирається дещо більшою, ніж ширина спектра детектованого радіосигналу.

Рис3.4. Детектор ЧМ-коливань частотно-амплітудного типу з двома близькими за частотою резонансу коливальними контурами

Для частотно-модульованого сигналу ширина спектра знаходиться в межах 50 кГц÷250 кГц. Важатимемо, що у схемі (рис. 3.4) перший коливальний контур L₁C₁ налаштований на частоту f ₀₁= f ₀-Δ f, а другий контур L₂ C₂ - на резонансну частоту f ₀₁₂= f ₀+Δ f (рис. 2.2.5).

Рис 3.5 Дискримінаційна характеристика детектора ЧМ-коливань із двома близькими за частотою резонансу коливальними контурами

Отже, коливальні контури та мають відповідно нижчу та вищу частоти резонансу відносно до центральної частоти несучих коливань.

При поданні на вхід схеми (рис.3.4) сигналу з частотою величини напруг, до яких під’єднані конденсатори С₃ та С₄, будуть однаковими, тому результуюча вихідна напруга дорівнюватиме нулеві. Зростання частоти вхідного сигналу призводить до зростання величини напруги на конденсаторі С₄. Отже, результуюча вихідна напруга буде від’ємною. Зниження частоти вхідного сигналу призводить до зростання величини напруги на конденсаторі С₃. У цьому випадку результуюча напруга на виході детектора буде додатної полярності.

Розглянемо другий різновид детектора ЧМ-коливань, а саме частотно-фазововий детектор (рис.3.6).

Рис.3.6.Схема електрична принципова детектора ЧМ-коливань частотно - фазового типу

Коливальні контури та налаштовані на одну й ту ж частоту. Вважатимемо, що вона дорівнює центральній частоті частотно-модульованого радіосигналу . Сигнал від першого коливального контуру передається в другий коливальний контур двома способами, а саме через конденсатор зв’язку та через індуктивний зв’язку між котушками та . У загальному випадку внаслідок передачі радіосигналу в другий контур двома способами у ньому отримаємо сигнали однакової частоти з певною різницею фаз коливань. Величина різниці фаз буде залежати від відхилення частоти детектованого сигналу від величини резонансної частоти коливального контуру . У подальшому здійснюється процедура детектування балансним фазовим детектором реалізований на елементах та і . При цьому один з радіосигналів є детектованим, а інший-опорним.

Розглянемо випадок, коли частота радіосигналу дорівнює резонансній частоті зв’язаних коливальних контурів тобто . Через конденсатор зв’язку в другий коливальний контурів, буде подаватись напруга . У першому коливальному контурі напруга (рис.3.7, а) із запізненням на буде формувати струм . Внаслідок наявності індуктивного зв’язку в другому контурі буде формуватись ЕРС , яка створить , що приведе до виникнення напруги, що буде випереджати струм на . Таким чином, якщо початкова напруга (рис.3.7, а), то струм І₁ буде характеризуватись запізненням фази коливань відношенню до цієї напруги на . Фаза коливань е.р.с. Е₂, індукована у вторинному контурі протікаючим у першому контурі струмом І₁, буде зміщена відносно до його фази на кут . Оскільки частота коливань е.р.с. Е₂, дорівнює резонансній частоті коливального контуру, то протікаючий у цьому контурі струм І₂ характеризуватиметься нульовою різницею фаз коливань із породжуючою його е.р.с. Е₂. Протікання струму І₂ в другому коливальному контурі породжуватиме виникнення напруги U₂, яка випереджатиме струм на фазовий кут . При цьому до діодів фазового детектора прикладатиметься однакова напруга (рис.3.7.б).

а) б)

Рис.3.7. Векторні діаграми напруг та струмів при

Для випадку коли частота радіосигналу менша за резонансну частоти зв’язаних коливальних контурів, тобто коли (рис.2.2.8, а), то співвідношення між фазами коливань напруг та струмів у контурах буде наступним:

.

У випадку коли частота сигналу менша за резонансну частоту коливального контуру, то останній має переважно ємнісний характер опору. Тому в цьому випадку струм І₂ випереджає е.р.с. Е₂ на деякий кут, внаслідок чого між U₁ та U₂ виникає фазовий кут (рис.3.8, б).

а) б)

Рис. 3.8. Векторні діаграми напруг та струмів при

Для випадку, коли частота радіосигналу більша за резонансну частоту зв’язаних коливальних контурів, тобто коли (рис.3.9, а) то співвідношення між фазами коливань напруг та струмів у контурах буде наступним:

Для випадку коли частота сигналу більша за резонансну частоту коливального контуру, останній має переважно індуктивний характер опору. У цьому випадку струм І₂ відстає від е.р.с. Е₂ на деякий кут, внаслідок чого між U₁ та U₂ виникає фазовий кут (рис.3.9, б).

а) б)

Рис.3.9. Векторні діаграми напруг та струмів при

Векторні діаграми в трьох вищерозглянутих випадках легше сприйняти аналізуючи узагальнену діаграму напруг. Уявна лінія, позначена вектором U₂, має максимум при . Отже, зменшення чи збільшення частоти радіосигналу відносно резонансної частоти зв’язаних коливальних контурів приводить до зміни знака та величини фазового зсуву між U₁ та U₂ (рис.3.10).

Рис.3.10. Діаграми напруг при всіх можливих співвідношеннях між f та f₀

Ввівши певну модернізацію у схему частотного детектора з взаємно налаштованими контурами, ми отримаємо можливість виконати додаткову функцію, а саме функцію обмеження амплітуди. Схема (рис.3.6) детектора ЧМ− коливань, отримана в результаті введення до схеми змін, має назву дробового детектора (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Дробовий детектор ЧМ−коливань

Постійна часу навантаження детектора вибирається такою, щоб , тобто постійна часу повинна бути більшою за максимально можливий період паразитної амплітудної модуляції. По суті, в даному випадку використовується схема динамічного обмежувача амплітуди.

Пороговий рівень напруги, заданий на , задає величину напруги, при якій та відкриваються, при цьому добротність другого коливального контуру зменшується. Оскільки існує індуктивний зв’язок із першим коливальним контуром, то таке зменшення добротності другого коливального контуру зменшує добротність першого, а значить, зменшує і коефіцієнт підсилення:

.

Особливістю дробового детектора є те, що при будь-яких змінах частоти детектованого радіосигналу сума напруг, до яких зарядились конденсатори С₃ та С₄, залишається незмінною:

;

У випадку попередньої схеми (рис.3.6) детектора ЧМ−коливань вихідна напруга була у два рази більшою, отже, об’єднання функцій частотного детектора та обмежувача амплітуди привело до обмеження вихідної детектованої напруги.

Детектори ЧМ−коливань в інтегральному виконанні часто реалізуються за допомогою лінії затримки (рис.3.12, а). В якості лінії затримки використовують логічні елементи (рис.3.12, б).

а)

б)

Рис.3.12. Детектор ЧМ−коливань; а)структурна схема; б) лінія затримки на логічних елементах

При додатній півхвилі вхідного сигналу з амплітудою, більшою за порогову напругу, спрацювання логічного елемента на виході останнього встановиться напруга, що відповідає логічному нулеві. Оскільки другий вхід логічного елемента нікуди не під’єднаний то на ньому буде сформовано рівень напруги, що відповідає рівню логічної одиниці.

На рис.3.13 зображені часові діаграми напруг у різних точках схеми

Сигнал на виході логічного елемента зміщений відносно вхідного на деякий час τ. Отже, на виході третього логічного елемента загальний час затримки буде дорівнювати 3τ. Четвертий логічний елемент схеми (рис. 3.12) виконує функцію каскаду збігу. На виході цього логічного елемента сформуються імпульси, тривалість яких обернено пропорційна частоті вхідного сигналу. Фільтр нижніх частот виділяє середнє значення напруги імпульсів.

Рис.3.13.Осцилограми сигналів у контрольних точках лінії затримки

Пропорційність залежності між вихідною напругою та частотою вхідного сигналу буде порушена, якщо результуюча величина часу затримки трьома логічними елементами 3τ_з буде меншою, принаймні дорівнюватиме половині періоду вхідного радіосигналу:

Помноживши обидві частини нерівності на два, отримаємо:

Перейдемо в отриманій нерівності до обернених величин, беручи до уваги, що максимальна частота сигналу відповідатиме мінімальному періоду. При цьому отримаємо:

Помноживши обидві частини нерівності на шість, отримаємо нерівність, з якої можна визначити допустиму величину часу затримки сигналу одним логічним елементом:

Детектори на логічних елементах як лініях затримки знайшли застосування в приймачах телевізійних сигналів, багатоканальних системах радіорелейного та супутникового зв’язку.

Особливий клас утворюють детектори ЧМ−коливань імпульсно−лічильного типу. У детекторах даного типу ЧМ−радіосигнал перетворюється в послідовність імпульсів із певними та незмінними амплітудою та тривалістю. При цьому частота руху імпульсів визначається частотою вхідного радіосигналу. По суті, в даному випадку ЧМ−радіосигнал перетворюється в сигнал із частотно-імпульсною модуляцією (ЧІМ). Наступне усереднення послідовності імпульсів забезпечує формування сигналу, величина напруги якого пропорційна кількості імпульсів, а отже, і частоті вхідного ЧМ−радіосигналу. Структурна схема одного з можливих варіантів імпульсно−лічильного детектора зображена на рис.3.14.

Рис.3.14. Імпульсно–лічильний детектор диференціюючого типу

Принцип дії такого типу детектора ілюструється на рис.3.15 осцилограмами напруг у найбільш характерних точках схеми. Після обмежувача амплітуди отримуємо сигнал прямокутної форми, фронт та зріз якого відповідає моментам переходу через нуль напруги ЧМ−радіосигналу.

Диференціювання фронту та зрізу отриманих прямокутних імпульсів забезпечує появу коротких імпульсів відповідної полярності з амплітудою обернено пропорційною тривалості фронту та зрізу імпульсів. Одностороннє обмеження продиференційованого сигналу забезпечує наявність імпульсів диференціювання лише однієї, у даному випадку додатної полярності. У результаті усереднення послідовності імпульсів фільтром нижніх частот отримуємо напругу, пропорційну кількості імпульсів в одиницю часу, а отже, і частоті вхідного радіосигналу.

Рис.3.15 Осцилограми сигналів на виходах основних блоків імпульсно–лічильного детектора

Практична реалізація імпульсно-лічильних детекторів ЧМ−радіосигналів може здійснюватись за допомогою детектора (рис.3.16).

Рис.3.16. Компараторний імпульсно–лічильний детектор ЧМ−коливань

Принцип дії детектора ЧМ−коливань компараторного типу (рис.3.17) ілюструється осцилограмами напруг у найбільш характерних точках схеми.

За допомогою компаратора (пристрій порівняння напруг сигналів) синусоїдальна форма частотно-модульованих коливань перетворюється в прямокутні імпульси, частота прямування яких та тривалість змінюються за законом частоти вхідного частотно-модульованого сигналу.

Рис.3.17. Осцилограми сигналів на виходах основних блоків імпульсно–лічильного детектора

За допомогою одновібратора прямокутні імпульси довільної тривалості перетворюються в прямокутні імпульси фіксованої тривалості, при цьому тривалість сформованих таким чином імпульсів менша або дорівнює . У даному випадку Т_min мінімальний період ЧМ−радіосигналу.

Частота прямування імпульсів на виході одновібратора дорівнює частоті вхідного ЧМ−радіосигналу. Після інтегрування ми отримаємо змінну складову, амплітудне значення якої буде визначатися максимальною частотою детектованого сигналу.

Останні три розглянуті різновиди детекторів ЧМ−коливань не потребують коливальних контурів, отже, без переналаштування можуть працювати в достатньо широкому діапазоні зміни частоти детектованого сигналу. Такі детектори знайшли широке застосування в приймачах телевізійних сигналів, у системах багатоканального зв’язку.

Контрольні запитання та завдання

1. Детектори частотно-модульованих коливань. Основні параметри й характеристики детекторів.

2. Частотно-амплітудні детектори. Схемотехнічна реалізація та принцип роботи.

3. Частотно-фазовий детектор. Схемотехнічна реалізація та принцип його роботи.

4. Дробовий детектор (детектор відношень) частотно−модульованих коливань.

5. Імпульсно-лічильні детектори ЧМ−коливань та їх різновиди.

6. Використання логічних елементів як ліній затримки та фазочутливого елемента в інтегральних частотно-фазових детекторах. Принцип роботи детекторів цього типу.

7. Нарисувати осцилограми сигналів на виході логічних елементів як елементів лінії затримки при поданні на його вхід сигналів однакової амплітуди різної частоти (співвідношенні частот сигналів 1:2).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: