13.2.2 Чд с преобразованием отклонения частоты в изменение фазового сдвига

Комплексный коэффициент усиления усилителя с колебательным контуром имеет ФЧХ (рисунок 13.9, а).

Согласно ФЧХ, фазовый сдвиг в некоторых пределах пропорционален расстройке. Это позволяет использовать колебательный контур для преобразования изменений частоты в изменения фазового сдвига с последующим фазовым детектированием.

Частотный детектор с одиночным контуром (рисунок 13.9, б).

-контур настроен на среднюю частоту детектируемого напряжения.

Ток детектируемого сигнала наводит в контуре ЭДС, которая вызывает в нем ток . Этот ток создает на контуре напряжение , сдвиг фазы которого зависит от частоты детектируемого сигнала (рисунок 13.9, а).

Одновременно ток создает напряжение в катушке связи , фаза напряжения практически совпадает с фазой тока в широкой полосе частот.

Рисунок 13.9 Частотный детектор с одиночным контуром и его ФЧХ

Результирующее напряжение с амплитудой

детектируется АМ-детектором, состоящим из диода и нагрузки , .

Напряжение на выходе АМ-детектора пропорционально .

Поскольку напряжение зависит от фазового сдвига , продетектированное напряжение также зависит от частоты.

Вывод:

В частотном детекторе для преобразования ЧМ-колебания в ФЧМ-колебание используется колебательный контур, в котором отклонения частоты преобразуются в изменения фазового сдвига с последующим фазовым детектированием.

Частотный детектор со связанными контурами (рисунок 13.10).

Обычно плечи ЧД выполняют одинаковыми,

поэтому ; .

Рисунок 13.10 Частотный детектор со связанными контурами

Для преобразования ЧМ-колебаний используют линейную цепь из двух индуктивно связанных контуров и . Контуры настроены на частоту , равную средней частоте сигнала.

На выходе линейной цепи включены два диодных детектора, на нагрузках которых выделяют продетектированные напряжения и .

Так как диоды и одинаковы, а , то коэффициенты передачи диодных детекторов равны . Тогда

, ,

где , - высокочастотные напряжения на диодах.

Постоянная составляющая тока диода протекает по цепи

,

а постоянная составляющая тока – по цепи

.

Высокочастотный дроссель служит для замыкания цепи постоянной составляющей тока диода.

Специального вычитающего устройства в ЧД нет, а используется простое сложение напряжений и в противоположной полярности, следовательно,

. (11.1)

Согласно (1), для определения необходимо найти напряжения и . Для этого укажем цепь протекания высокочастотной составляющей тока диода :

.

К диоду приложено два напряжения: половина напряжения на втором контуре и напряжение на первом контуре , т.е.

.

Напряжение выделяется на дросселе , подключенном по высокой частоте параллельно -контуру; наличие напряжения необходимо для нормальной работы ЧД.

Дроссель подключен параллельно первому контуру. Для того чтобы индуктивность не влияла на индуктивность первого контура, ее выбирают исходя из условия

.

По аналогии, для диода можно записать

;

знак минус обусловлен тем, что если к диоду прикладывается плюс напряжения , то в этот же момент времени к диоду прикладывается минус напряжения .

Принцип работы ЧД со связанными контурами поясним с помощью векторных диаграмм (рисунок 13.11).

Рисунок 13.11 Векторные диаграммы

Предположим, что (средняя частота сигнала совпадает с частотой настройки контура).

В качестве исходного берем вектор напряжения , его фазу принимаем равной нулю (рисунок 13.11, а), ЭДС, наводимая во втором контуре,

.

Согласно выражению для фаза ЭДС совпадает с фазой .

Ток во втором контуре, вызываемый ЭДС ,

;

при резонансе ,

т.е. фаза тока во втором контуре при совпадает с фазой . Таким образом, векторы , и при совпадают по фазе (рисунок 13.11, а).

Определим напряжение на втором контуре . Это напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90. Половина напряжения , действующая относительно средней точки катушки индуктивности , прикладываемая к диоду , опережает напряжение на 90; другая, прикладываемая к диоду , отстает от этого напряжения на 90, т.е. совпадает с . Сложив векторы и , найдем вектор напряжения , а векторы и – вектор .

Из векторных диаграмм рисунок104, а видно, что ; следовательно, , .

Построим векторную диаграмму для (рисунок 13.11, б). В качестве исходного берем вектор , так как ЭДС , то ее фаза совпадает с фазой .

Ток во втором контуре

;

при сопротивление для тока имеет индуктивный характер, следовательно, ток при отстает по фазе от ЭДС .

Напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90. К диоду приложено напряжение , которое отстает от тока на 90, а к диоду – напряжение , опережающее ток на 90. Сложив соответствующие векторы, определим и .

Из диаграммы рисунок 13.11, б при следует, что ; при этом и .

Рисунок 13.12 Форма характеристики детектирования ЧД

Форма характеристики детектирования ЧД показана на рисунок105, она зависит от добротности контуров и степени связи между ними.

Выводы:

1. К каждому из диодов ЧД со связанными контурами приложено напряжение, складывающееся из половины напряжения на втором контуре и напряжения на первом контуре. Напряжение на диоде : , напряжение на диоде : .

2. С изменением частоты относительно меняется фазовый сдвиг между ЭДС , наводимой во втором контуре, и током во втором контуре, что приводит к изменению напряжений и на диодах, а следовательно, напряжения .

Дробный ЧД. Характерной особенностью дробного ЧД является малая чувствительность к амплитудной модуляции детектируемого напряжения, благодаря чему отпадает необходимость в АО.

Схема дробного ЧД (рисунок 13.13) является вариантом схемы ЧД со связанными контурами; ее отличие состоит с способе включения диодов и нагрузки, а также в введении катушки связи вместо дросселя .

Рисунок 13.13 Схема дробного ЧД

Каждое из ВЧ напряжений и , подводимых к диодам и представляет собой сумму двух напряжений: напряжения на катушке связи и половины напряжения на втором контуре .

Напряжение , т.е. по фазе оно совпадает с напряжением на первом контуре. Поэтому векторные диаграммы, рассмотренные при анализе работы ЧД со связанными контурами, остаются справедливы и для дробного ЧД; различие состоит лишь в том, что вместо напряжения при построении векторных диаграмм дробного ЧД необходимо использовать напряжение , которое несколько меньше .

В дробном ЧД в отличие от ЧД со связанными контурами полярность диода изменена на обратную; при этом напряжение

.

Это напряжение подводится к конденсатору настолько большой емкости, что напряжение на нем не успевает реагировать на быстрые изменения амплитуды входного сигнала.

Следовательно, в процессе работы ЧД может меняться только отношение , а не их сумма. Именно по этой причине ЧД называют дробным (иногда детектором отношения).

Поскольку диоды и включены согласованно, постоянная составляющая тока обоих диодов протекает по одной и той же цепи:

.

При этом .

Продетектированное напряжение на выходе ЧД снимается со средней точки делителя напряжения .

Обычно , поэтому напряжение на каждом резисторе равно .

Как следует из рисунка 13.13, напряжение на выходе ЧД равно разности напряжений на конденсаторе и резисторе , т.е.

.

Следовательно, продетектированное напряжение в дробном ЧД в два раза меньше, чем в ЧД со связанными контурами.

При действии на входе дробного ЧД ЧМ-колебания напряжения и изменяются так же, как в ЧД со связанными контурами, что приводит к изменению и , а следовательно, и .

Напряжение на создается током диода , а напряжение на – током диода .

С изменением частоты меняется отношение , а их сумма остается постоянной. Это происходит по двум причинам:

1. при ЧМ напряжения и изменяются с противоположным знаком (если возрастает, то уменьшается);

2. емкость конденсатора настолько большая, что напряжение на ней не успевает следить за изменениями напряжения , происходящими из-за модуляции сигнала.

Напряжения

; ,

где - углы отсечки токов диодов и .

Эти диоды работают при постоянном смещении , поскольку напряжение является источником смещения диодов. Поэтому при изменении амплитуды напряжения на диоде угол также меняется: с увеличением напряжения угол увеличивается, и наоборот.

Так как постоянная составляющая тока для диодов и одинакова, то при изменении напряжений и из-за ЧМ углы отсечки и у диодов различны.

Рассмотрим механизм подавления паразитной АМ в дробном ЧД.

Положим, амплитуда входного напряжения из-за паразитной АМ быстро увеличилась, в результате чего возрастают напряжения и и напряжения и . Однако напряжения и увеличатся в меньшей степени, чем напряжение , по двум причинам:

1. с увеличением и углы отсечки токов диодов увеличатся, что приведет к уменьшению входного сопротивления диодного детектора, а следовательно, к росту шунтирующего действия детекторов на колебательные контуры. Это вызовет уменьшение напряжения на резонансной системе;

2. при увеличении и из-за увеличения углов отсечки и и уменьшатся, а следовательно, снизится коэффициент детекторов. Поскольку , , уменьшение при возрастании и вызовет незначительное увеличение напряжений и .

Выводы:

1. Векторные диаграммы, рассмотренные при анализе ЧД со связанными контурами, справедливы и для дробных ЧД. Благодаря включению конденсатора большой емкости при изменении частоты ЧМ-колебания меняется отношение , а их сумма остается практически неизменной.

2. Дробных ЧД малочувствителен к паразитной АМ детектируемого сигнала. Например, при увеличении напряжения и возрастают меньше из-за увеличения шунтирующего действия диодных детекторов на колебательные контуры и уменьшения их коэффициентов передачи.