Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский государственный университет путей сообщения

Императора Николая II»

Институт транспортной техники и систем управления

_________________________________________________________________

Кафедра "Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте"

Лабораторная работа №4

По дисциплине «Каналообразующие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи»

на тему:

«Амплитудный детектор».

Москва – 2017

Оглавление

1.Анализ исходных данных и выбор схемы детектора. 3

1.1.Принципы детектирования модулированных сигналов. 3

1.2.Выбор и анализ схем амплитудного детектора. 4

2.Расчет и моделирование детектора модулированных сигналов. 9

2.1.Выбор элементной базы и расчет элементов схемы. 9

2.2.Моделирование схемы детектора. 12

2.3.Моделирование схемы детектора амплитудно-манипулированного сигнала. 18

2.3.Анализ результатов моделирования. 20

1. Анализ исходных данных и выбор схемы детектора.

   1. Принципы детектирования модулированных сигналов.

Демодуляторы часто называют детекторами. Название «демоду­лятор» подчеркивает то, что процесс в детекторе (демодуляторе) обратный, процессу в модуляторе. Детектор выделяет полезную информацию из входного модулированного колебания, содержащего только высо­кочастотные составляющие: колебания несущей частоты и боковые полосы. На выходе же детектора (демодулятора) выделяется напря­жение с низкочастотным спектром передаваемого сообщения (рис.1.1.1). Следовательно, детектирование сопровождается трансформацией (переносом) частотного спектра из области высоких частот в область низких частот. Поэтому детектирование это процесс, связанный с не­линейным преобразованием.

Рис.1.1.1 Процесс детектирования

В соответствии с видами модуляции различают демодуляторы аналоговых, аналого-импульсных и дискретных сигналов.

Детектирование представляет основной процесс приема моду­лированных колебаний, поскольку выделяемое в результате колебание представляет исходное, переданное. То есть при детектировании (демодуляции) выделяется исходное модулирующее колебание, несущее информацию.

Демодуляторы АМ - колебаний входят в состав детекторов ЧМ и ФМ колебаний, используемых в каналообразующих устройствах же­лезнодорожной телемеханики и связи. Демодуляция АМ - колебаний - нелинейный процесс, поэтому она осуществляется с помощью уст­ройств с нелинейной ВАХ: диодов, транзисторов и др. В зависимости от типа используемого нелинейного элемента, детекторы соответст­венно называются диодными, транзисторными и т.п. На рис 1.1.2 структурная схема детектора.

Рис 1.1.2 Структурная схема детектора

2. Выбор и анализ схем амплитудного детектора.

Чаще других в качестве нелинейного элемента в схемах амплитудного детектора используют дио­ды, а отсюда и название - диодные демодуляторы (рис.1.2.1). Они включают в своем составе; входной L_kC_k контур, выполняющий функции источника переменного сигнала, подаваемого на вход детек­тора; собственно нелинейный элемент - диод VD и низкочастотный фильтр детектора, выполненный на RC или LC элементах. Контур де­тектора связан с предыдущим каскадом приемника, в частности уси­лителя промежуточной частоты (УПЧ).

При подаче на контур переменного модулированного сигнала, вследствие нелинейности ВАХ диода, к которому приложено это напряжение, ток в цепи детектора будет содержать НЧ и ВЧ составляю­щие. Высокочастотные составляющие спектра сигнала замыкаются через конденсатор С фильтра, а низкочастотные составляющие (по­лезные информационные составляющие спектра) - через резистор R фильтра, создавая на нем падение напряжения, которое передается да­лее потребителю.

Поскольку в этой схеме диодного детектора постоянный ток прохо­дит и через источник переменного напряжения (входной контур), то ее называют схемой детектора последовательного типа (рис.1.2.1).

Рис.1.2.1 Принципиальная схема детектора последовательного типа

Свойства детекторов оценивают по его параметрам и характери­стикам, основными из которых являются коэффициент передачи на­пряжения Кд, входное сопротивление R_BX, коэффициент нелинейных искажений, параметры детекторной и частотной характеристики. Эти параметры и характеристики определяются по ВАХ диода (рис. 1.2.2), которая имеет на начальном участке резкий изгиб. Граница изгиба характеристики соответствует входному напряжению, при ко­тором диод открывается (0,3 - 0,5) В. Вольт-амперная характеристика диода хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью i = au+bu², где а и b - расчетные коэффициенты. Для малых входных сиг­налов работа детектора соответствует квадратичному участку ВАХ диода, а детекторы, работающие при малых входных сигналах назы­вают квадратичными.

При возрастании входного напряжения U_вх > 0,3 В рабочий, квадратичный участок ВАХ диода переходит в линейный.

При больших уровнях входных сигналов, когда рабочий участок ВАХ диода лежит в линейной области характеристики, детектор назы­вают линейным, хотя процесс детектирования нелинейный.

При больших амплитудах входного напряжения реальную ВАХ диода можно представить идеальной, состоящей из двух прямых обра­зующих ломаную линию как это показано на рис. 1.2.2. Один участок характеристики совпадает с осью напряжения (абсцисс), а другой пе­ресекает ее под углом, соответствующим крутизне линейной части ре­альной ВАХ. Аналитически идеальная ВАХ определяется зависимо­стью:

где  - коэффициент пропорциональности.

Рис.1.2.2 Вольт-амперная характеристика диода

Рассмотрим работу линейного детектора для простейшего слу­чая смодулированных входных колебаний высокой частоты и_вх (t) = U_m cos t, позволяющего определить основные параметры детек­тора. В этом случае детектор выполняет функции обычного однополупериодного выпрямителя. На его выходе, через резистор R будет протекать постоянный ток, создающий на нем постоянное напряже­ние Е, запирающее диод. Это напряжение меньше амплитуды входно­го напряжения U_m. Графически процесс детектирования представлен на рис.1.2.3, в предположении, что .

Рис. 1.2.3 Процесс детектирования

В точке t₁ напряжение , где параметр = t₁ называется углом отсечки. Коэффициент передачи детектора

По сравнению с линейным, квадратичный детектор имеет сле­дующие недостатки: меньшее входное сопротивление, большие нелинейные искажения, К_Д пропорционален квадрату амплитуды модули­рованного сигнала. Достоинством его является возможность приема более слабых сигналов. Для анализа работы квадратичного детектора, необходимо в ВАХ его диода i = au + bи² подставить или немодулиро­ванное входное колебание u_BX(t) = U cos t (U < 0,3В) или амплитудно-модулированное.

При модуляции одной частотой:

и после тригонометрических преобразований согласно ВАХ ток на выходе квадратического детектора может быть представлен как:

Первое слагаемое определяет полезный продукт детектирова­ния - ток модулирующего, полезного сигнала, а второе вносит не­линейные искажения в детектируемый сигнал.

В связи с указанными достоинствами и недостатками различных видов диодных детекторов, в разработке амплитудного детектора будем использовать линейный детектор со схемой последовательного типа.