8.7.3. Частотные детекторы

Нелинейный элемент проявляет свои свойства при изменении напряжения, поступающего на его вход. При этом он практически не реагирует (в спектральном смысле) на изменения таких его параметров, как частота и фаза. Поэтому непосредственное преобразование частотно-модулированного сигнала с помощью нелинейных элементов не приводит к формированию тока, в спектре которого содержатся составляющие с частотой модулирующего сигнала. Требуются дополнительные преобразования ЧМ-сигнала, чтобы в заключение сформировать сигнал, отражающий характер изменения его частоты.

Наиболее часто процесс частотного детектирования реализуют в два этапа: преобразование ЧМ-сигнала в сигнал с амплитудной модуляцией и последующее его детектирование с помощью амплитудного детектора (рис. 8.35). Ограничитель устраняет влияние возможного изменения амплитуды ЧМ-сигнала на величину выходного напряжения детектора.

Рис. 8.35. Структурная схема частотного детектора

Можно встретить частотные детекторы, основанные на преобразовании частотной модуляции в соответствующий сдвиг фаз между двумя колебаниями, которые детектируются фазовым детектором.

Наиболее простой является схема частотного детектора с расстроенным контуром (рис. 8.36).

Рис. 8.36. Схема одноконтурного частотного детектора

Усилитель-ограничитель – это резонансный усилитель, транзистор которого работает с пониженным напряжением коллекторного питания. Ограничение происходит за счет нижней и верхней отсечек коллекторного тока. В качестве преобразователя ЧМ-сигнала в колебания с изменяющейся по закону модули-

рующего сигнала амплитудой служит колебательный контур. Диодный амплитудный детектор на выходе выделяет огибающую этого колебания.

Колебательный контур расстроен относительно несущей частоты входного сигнала на величину , благодаря чему является чувствительным элементом к изменению частоты входного сигнала. Это поясняется рис. 8.37, на котором изображена резонансная характеристика контура по напряжению Uк ( ), изменяющаяся частота входного сигнала (t) и напряжение Uк (t), характеризующее изменение амплитуды колебаний в контуре.

Рис. 8.37. Преобразование частотной модуляции в амплитудную

Как видно из рис. 8.37, колебательный контур обеспечивает формирование колебаний с изменяющейся амплитудой. Закон изменения амплитуды тем точнее повторяет закон изменения частоты входного сигнала (с учетом фазового сдвига на ), чем прямолинейнее боковая ветвь резонансной характеристики контура. Амплитудный детектор выделяет огибающую Uк (t), формируя выходной сигнал с законом изменения, соответствующим закону частотной модуляции, т.е. сигнал Uчд( ).

Недостатком такой схемы частотного детектора является малый линейный участок резонансной характеристики колебательного контура, что ограничивает возможность детектирования сигналов с большой девиаций частоты. Этот недостаток устраняется в балансных частотных детекторах.

На рис. 8.38,а приведена схема балансного ЧД с двумя параллельными расстроенными контурами.

Контуры расстроены на величину относительно резонансной частоты (или частоты несущего колебания) в обе стороны, т.е. р1 0 и

р2 0 . Их напряжения подаются на амплитудные детекторы, которые

включены встречно. Следовательно, выходное напряжение ЧД будет равно разности выходных напряжений амплитудных детекторов. При этом зависимость выходного напряжения ЧД от частоты входного сигнала при его постоянной

амплитуде, называемая амплитудно-частотной характеристикой детектора, будет иметь вид дискриминаторной характеристики (рис. 8.38,б).

Рис. 8.38. Схема балансного ЧД с расстроенными контурами (а) и его характеристика (б)

Особенностью данного ЧД является относительная сложность его настройки с целью обеспечения равенства коэффициентов передачи амплитудных детекторов и параметров усилителей.

Используется также балансный детектор со связанными контурами. Он состоит (рис. 8.39) из усилителя, нагрузкой которого является система двух связанных контуров L1C1 и L2C2. Они образуют двухконтурный полосовой фильтр, настроенный на частоту несущего колебания, с помощью которого осуществляется преобразование частотной модуляции в амплитудную.

Рис.8.39. Схема балансного ЧД со связанными контурами

Усилитель работает в режиме амплитудного ограничения. Между контурами установлена индуктивная связь. Кроме того, с помощью сравнительно большой емкости Cp1 первый контур связан со средней точкой второго конту-

ра.

В результате на амплитудные детекторы подаются два напряжения. Напряжение Um1 с контура L1C1 через среднюю точку второго контура поступает на амплитудные детекторы в фазе, а напряжение Um2 , передаваемое индуктивной связью, – в противофазе. Таким образом, амплитуды напряжений на диодах VD1 и VD2 будут равны соответственно

Напряжение на выходе схемы будет равно

Uфд K(Uд1 Uд2).

Особенностью связанных контуров является тот факт, что фазовые соотношения между напряжениями на первом и втором контурах зависят от соотношения частоты поступающего сигнала c и резонансной частоты двухконтурного полосового фильтра p.

Если c p , то напряжение на втором контуре отстает от напряжения на первом контуре на 90о . Если c p , то сопротивление второго контура но-

сит емкостный характер и сдвиг по фазе между напряжениями на контурах возрастает на величину arctg , где 2( c p)Q p – обобщенная рас-

стройка контура. Если c p , то сопротивление второго контура носит ин-

дуктивный характер и сдвиг по фазе между напряжениями на контурах уменьшается на величину arctg .

Векторная диаграмма амплитуд сигналов для этих случаев изображена на рис. 8.41.

Рис. 8.41. Векторные диаграммы балансного ЧД со связанными контурами

Следовательно, напряжение на выходе рассматриваемого детектора будет изменяться в зависимости от частоты входного сигнала так, как показано на рис. 8.40.