8.10.2 Частотные детекторы с фазовым преобразованием

частотной модуляции

Принцип действия таких частотных детекторов основан на том, что при прохождении ЧМ–колебаний через цепь, вносящую идеальную задержку, фазовый сдвиг выходного колебания относительно входного, которое выполняет в данном случае роль опорного напряжения, повторяет закон изменения частоты.

.

(8.30)

Действительно, пусть на вход цепи, вносящую задержку , действует ЧМ–колебание, частота которого изменяется по закону . Тогда на выходе этой цепи имеем:

.

(8.31)

Фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного определяется следующим образом:

.

(8.32)

Учитывая, что

,

(8.33)

получаем:

.

(8.34)

Таким образом, при малой величине  (задержке цепи) закон изменения фазы ЧМ–колебания на выходе линии задержки, относительно входного ЧМ–колебания, совпадает с законом изменения фазы.

На основе такого представления можно построить ЧД, используя относительно линейные участки фазочастотных характеристик 4–полюсников, так как в пределах этих участков задержка примерно постоянна. Структурная схема подобного ЧД представлена на рис. 8.26.

Рис. 8.26 Структурная схема частотного детектора

В схему ЧД включен фазовращатель на /2 для того, чтобы на средней частоте детекторная характеристика проходила через 0. В простейшем случае в качестве 4–полюсника с передаточной характеристикой может быть использован, например, одиночный колебательный контур. Фазовая характеристика одиночного контура описывается уравнением:

,

(8.35)

где , d_k – затухание контура, f₀ – его резонансная частота. Эта характеристика имеет почти линейный участок в области =0 и, следовательно, может быть использована для преобразования входного ЧМ–колебания в ФМ–колебание.

Суммируя напряжения на контуре усилителя с опорным напряжением и подвергая результирующее напряжение амплитудному детектированию, получаем низкочастотное колебание, воспроизводящее закон изменения мгновенной частоты сигнала.

Наиболее просто это реализуется при использовании системы двух связанных контуров. Принципиальная схема подобного частотного детектора представлена на рис. 8.27.

С первичного контура через разделительный конденсатор С_св на дроссель L2 подается полное напряжение первичного контура, которое в схеме частотного детектора выполняет роль опорного сигнала. Контур L_кC_к связан с первичным контуром L1C1 индуктивной связью М. Оба контура настроены на центральную частоту f₀ и имеют одинаковые затухания.

Остановимся подробней на особенностях построения векторных диаграмм, поясняющих работу ЧД (рис.8.28).

Рис. 8.27. Принципиальная схема частотного детектора на двух связанных контурах

Исходным является напряжение U₁ на первичном контуре. Ток I₁ в индуктивной ветви первичного контура отстает от напряжения U₁ на 90⁰. Под действием этого тока в индуктивной ветви вторичного контура наводится ЭДС Е, опережающая возбуждающий ее ток на 90⁰. Таким образом, вектор ЭДС Е совпадает по направлению с вектором U₁. Под действием этой ЭДС Е в индуктивной ветви L_к протекает ток I_к. Сдвиг по фазе между ЭДС Е и током I_к зависит от расстройки частоты входного сигнала относительно резонансной частоты контура f₀. Если , то сдвиг по фазе между ЭДС Е и током I_к равен нулю. При неравенстве частот фазовый сдвиг отличается от нулевого значения. При фазовый сдвиг положителен, в противном случае – отрицателен.

а) б)

Рис. 8.28. Векторные диаграммы

Детекторная характеристика для этого случая на основании приведенных векторных диаграмм представлена на рис. 8.29.

Рис. 8.29. Детекторная характеристика

Как видно из представленного рисунка, детекторная характеристика имеет недостаточно большой линейный участок и на резонансной частоте выходной сигнал не равен 0. Поэтому на практике обычно применяют балансные частотные детекторы (рис. 8.30).

Рис. 8.30. Принципиальная схема балансного частотного детектора

Балансная схема отличается тем, что опорное колебание, снимаемое с первичного контура, подается на среднюю точку катушки индуктивности L_к вторичного контура, таким образом, опорное напряжение на диоды VD1 и VD2 подается в фазе, а фазопромодулировнный сигнал подается в противофазе. Таким образом реализуется балансный фазовый детектор.

Так как нагрузки включены встречно, то напряжение на выходе частотного детектора равно:

.

(8.36)

Напряжения подаваемые на диоды VD1 и VD2 соответственно равны:

, .

(8.37)

По аналогии с предыдущим случаем векторные диаграммы представлены на рис. 8.31.

Рис. 8.31. Векторные диаграммы

На основании этих векторных диаграмм можно построить детекторную характеристику. При равенстве частоты сигнала и резонансной частоты контура выходное напряжение равно нулю. Если частота сигнала больше резонансной частоты контура, то контур имеет емкостной характер и ток I_к опережает ЭДС Е. В этом случае выходной сигнал отрицательный, так как. . При обратном соотношении частот выходной сигнал положителен. Детекторная характеристика представлена на рис. 8.32.

Рис. 8.32. Детекторная характеристика

Как видно из представленного графика, детекторная характеристика балансного ЧД проходит через нуль на резонансной частоте и имеет высокую линейность в этой области.

Вид и основные параметры частотного детектора на связанных контурах существенно зависят от обобщенного коэффициента связи ( ). На рис. 8.33 представлены детекторные характеристики ЧД на связанных контурах при различных значениях обобщенного коэффициента связи.

Рис. 8.33. Детекторные характеристики ЧД на связанных контурах

Как видно из представленных графиков, при Р > 0,5 положение точек экстремума на оси абсцисс примерно соответствует величине Р, т.е.  = P. Отсюда следует, что полоса пропускания частотного детектора равна произведению обобщенного коэффициента связи на полосу пропускания одиночного контура:

.

(8.38)

Для обеспечения линейного частотного детектирования коэффициент Р необходимо выбирать из следующих соотношений:

,

(8.39)

где 2f_с – ширина спектра сигнала.