4.2. Детектирование частотно-модулированных колебаний
4.2.1. Принцип действия частотного детектора с расстроенным колебательным контуром
Простейшим устройством, позволяющим осуществить преобразование частотной модуляции в амплитудную, является обычный колебательный контур, расстроенный относительно средней частоты высокочастотных колебаний f 0 . В этой схеме используется свойство колебательного контура, заключающееся в том, что коэффициент передачи контура зависит от частоты приложенного напряжения. Благодаря этому высокочастотные колебания, модулированные по частоте, преобразуются в высокочастотные колебания, модулированные по амплитуде. Диаграмма, поясняющая указанный метод преобразования модуляции, приведена на рис. 4.1.10. Дальнейшее преобразование полученных колебаний можно осуществлять, используя обычный амплитудный детектор.
Um
t
0
t
Рис. 4.1.10. Преобразование частотно-модулированных
колебаний в амплитудно-модулированные
с помощью расстроенного колебательного контура
Описанный метод преобразования используется только при узкополосной частотной модуляции (со сравнительно малой девиацией частоты). Для обработки сигналов с широкополосной частотной модуляцией используются более сложные схемы детектирования. Наибольшее распространение получила балансная схема частотного детектора (рис. 4.1.11).
4.2.2. Принцип действия балансного частотного детектора
С5
L2 D1
L1 С2 С3 R1
С1
L3
С4 R2
D2
Рис. 4.1.11. Балансная схема частотного детектора
В состав схемы входят следующие элементы:
два связанных колебательных контура L1, C1 и L2, C2 ;
два диода D1 и D2;
два конденсатора с одинаковой емкостью С3 и С4;
два одинаковых резистора R1 и R2 .
Колебательные контуры L1, C1 и L2, C2 настроены на промежуточную частоту f0 . Аноды диодов присоединены к противоположным концам катушки L2, имеющей отвод от средней точки. Между катодами диодов включены резисторы R1 и R2 одинаковой величины, зашунтированные конденсаторами C3 и C4 равной емкости.
Режим работы частотного детектора может быть рассмотрен с помощью векторных диаграмм (рис. 4.1.12).
Когда частота колебаний, поступающих на вход частотного детектора, равна номинальному значению промежуточной частоты f0, наступает резонанс в контуре L2, C2. Вектор U1 соответствует напряжению на первом контуре L1, C1. Ток I 1 через катушку индуктивности L1 отстает на 90º от напряжения U1. Этот ток индуктирует в катушке L2 э.д.с. Е2, которая отстает по фазе относительно тока I1 также на 90º. При резонансе ток I2 во втором контуре L2 , С2 совпадает по фазе с э.д.с. Е2.
Рис. 4.1.12. Векторные диаграммы балансного частотного детектора
Напряжение U2 на контуре L2 ,С2 сдвинуто по отношению к току I2 на 90º и делится пополам между диодами D1, D2 . К каждому из этих анодов приложено напряжение Uа' и Uа" , равное геометрической сумме напряжений U1 и U2/2. Из диаграммы видно, что для случая резонанса получается Uа' = Uа", т. е. напряжения на анодах обоих диодов равны между собой. Под действием этих напряжений в цепях обоих диодов возникают токи одинаковой величины. Протекая по внешней цепи, токи диодов создают на резисторах R1 и R2 напряжения, равные по величине, но противоположные по знаку. В результате этого напряжение на выходе частотного детектора равно нулю.
При отклонении частоты от номинального значения f0, например, при увеличении разностной частоты относительно промежуточной, проводимость контура L2, С2 будет носить индуктивный характер. Ток I2 во втором контуре начнет отставать от э.д.с. Е2 на угол φ. Векторы напряжений U2/2 не будут перпендикулярны вектору напряжения U1. Напряжение Uа' на аноде первого диода окажется больше напряжения Uа" на аноде второго диода. В результате этого величина тока через резистор R1 окажется больше, чем через резистор R2. На выходе частотного детектора появится напряжение, полярность которого будет положительной относительно "земли".
В случае понижения разностной частоты относительно номинального значения f0 напряжение на выходе частотного детектора станет отрицательным относительно земли.
График зависимости выходного напряжения частотного детектора от изменения частоты на его входе Uвых = f (Δfпр) называется статической частотной характеристикой. Линейный участок между двумя максимумами характеристики определяет рабочую полосу частот детектора Δ fраб (рис. 4.1.13).
+Uвых
Δ fраб
– Δ fпр + Δ fпр
fпр
–Uвых
Рис. 4.1.13. Частотная характеристика балансного детектора