Исследование работы диодного детектора

Цель работы: изучение принципа действия и основных характеристик диодного детектора.

Краткие теоретические сведения

Под детектированием понимается процесс преобразования подводимого модулированного напряжения в напряжение, соответствующее закону модуляции. Детектирование электрических колебаний – одно из важнейших функций любого приемника. Необходимость детектирования вытекает из основного назначения приемника, заключающегося в извлечении полезной информации из сигнала, поступающего на его вход. Полезная информация передается с помощью амплитудной, частотной, фазовой и других видов модуляции. Соответственно атому различают амплитудные, частотные, фазовые и другие виды детекторов. В данной лабораторной работе исследуются диодные амплитудные детекторы.

Рассмотрим амплитудно-модулированный сигнал. Пусть в качестве переносчика информации используется гармоническое колебание

(1)

где – амплитуда несущего колебания; – частота несущего колебания.

При амплитудной модуляции сигнала модулируемым параметром является амплитуда несущей . В результате модуляции она изменяется следующим образом

(2)

где – начальное значение амплитуды; – переменное приращение амплитуды; – постоянная величина, характеризующая степень изменения параметра; – модулирующее колебание; – наибольшее относительное изменение параметра или коэффициент глубины модуляции.

Пусть , тогда амплитудно-модулированный сигнал имеет вид

(3)

где – частота модулирующего колебания.

Сообщение передается без искажения, если

Рисунок 1

Переменное напряжение можно охарактеризовать четырьмя основными параметрами:

а) пиковым напряжением – ;

б) средним напряжением – ;

в) средневыпрямленным напряжением – ;

г) среднеквадратичным напряжением – ;

Рассмотрим эти параметры:

а) Пиковое напряжение – максимальное мгновенное значение напряжения. Для гармонического сигнала, в частности , есть амплитудное значение. Если сигнал несимметричен, то вводят два пиковых, значения: положительное и отрицательное .

б) Среднее напряжение – среднее значение напряжения за время измерения, т.е. постоянная составляющая.

. (4)

Для .

в) Средневыпрямленное напряжение – это среднее значение модуля напряжения

. (5)

При равно площади, ограниченной кривой напряжения.

г) Среднеквадратичное напряжение –

. (6)

В зависимости от закона преобразования переменного напряжения напряжение на выходе детектора напряжение может быть пропорционально:

а) пиковому напряжению – ;

б) средне выпрямленному напряжению – ;

в) среднеквадратичному напряжению – .

Согласно этому и осуществляется классификация амплитудных детекторов. Они подразделяются на пиковые, линейные, квадратичные.

Амплитудный детектор состоит из нелинейного элемента и нагрузки, на которой выделяется детектированный сигнал. В качестве элемента с нелинейной характеристикой можно использовать полупроводниковые диоды, транзисторы и электронные лампы. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диодные детекторы.

Простейшим и широко используемым на практике является диодный детектор, имеющий последовательную (рисунок 2 а) или параллельную (рисунок 2 б) схему включения диода.

Рисунок 2

В зависимости от амплитуды подводимых высокочастотных колебаний диодный детектор может работать в режиме детектирования малых напряжений и в режиме детектирования больших напряжений. В первом режиме процесс детектирования происходит на криволинейном участке характеристики диода, и возникающие нелинейные искажения ограничивают область применения этого режима. Во втором режиме к детектору подводятся большие напряжения, и детектирование определяется, в основном, линейным участком характеристики диода. Такой процесс детектирования называется линейным, а детектор – линейным диодным детектором.

Для анализа работы линейного диодного детектора (рисунок 2 a) рассмотрим простейший однополупериодный выпрямитель однофазного тока, нагруженный чисто активной нагрузкой (рисунок 3).

Рисунок 3.

При анализе схемы будем считать внутреннее сопротивление источника переменного тока равным нулю, а внутреннее сопротивление диода в обратном направлении – бесконечно большим. Работу схемы удобно пояснять графиками, показанными на рисунке 4.

Рисунок 4.

Пусть переменное напряжение источника равно . Во время положительного полупериода диод проводит ток. Во время отрицательного полупериода приложенного напряжения диод закрыт и ток через нагрузку равен нулю. Рассматриваемая схема позволяет получить из переменного напряжения пульсирующее напряжение.

Постоянная составляющая пульсирующего напряжения представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения.

, (7)

где – амплитудное значение напряжения на зажимах источника.

Если к выходу выпрямителя параллельно нагрузке подключить емкость , то получим схему диодного детектора (рисунок 2 а). В положительные полупериоды импульсы тока диода заряжают емкость , а в отрицательные полупериоды емкость отдает энергию во внешнюю цепь, разряжаясь через резистор . В схеме действуют как бы два источника: источник и емкость . Заряд конденсатора от источника напряжения протекает по закону

, (8)

где – сопротивление диода в прямом направлении.

Разряд конденсатора через резистор протекает по закону

, (9)

где .

Так как , то напряжение на емкости нарастает сравнительно быстро. Разряд же происходит через резистор , поэтому емкость не успевает заметно разрядиться за время паузы между импульсами тока диода. При конечной величине в цепи устанавливается такой режим, при котором заряд, получаемый емкостью в течение положительного полупериода равен заряду, теряемому емкостью за период. Напряжение на нагрузке остается практически неизменным.

Работу схемы можно пояснить диаграммами (рисунок 5).

Рисунок 5

В промежуток времени от до напряжение на конденсаторе больше . Напряжение на диоде O_t) -- d^. - b'i„_x <о , и диод заперт. Конденсатор разряжается на нагрузочное сопротивление с постоянной времени ^«». , Б момент времени А напряжение tf^ стано­вится равным напряжению на^ конденсаторе Ui«_x. . При ё>£ нап­ряжение на диоде изменяет полярность {1/„>о ) и через диод начина-

t

ет протекать ток от источника U(_x . Этот ток питает нагрузку и за- ряжает конденсатор С постоянной времени . Напряжение на конденсаторе растет до момента времени z*, , когда вновь наступа- ет равенство напряжений U'g_x и . При ется и процесс повторяется сначала (рис. 5). г?* 6_А диод запира-

Таким образом, ток в нагрузке Я , который без емкости С отсутствовал в отрицательные полупериоды напряжения (рис. 4),

теперь имеется за счет разряда конденсатора С. Это приводит к уве­личению среднего значения выпрямленного модулированного напряжения и к уменьшению его переменной составляющей. зными характеристиками диодного детектора являются: коэф-;редачи, входное сопротивление, уровень нелинейных искаже- ний.

Коэффициент передачи детектора по постоянному тогсу К,,, равен отноиснкю постоянного напряжения на выходе детектора к ампли-туд-е 'Переменного' напряжения на входе

* \ " -ТГ-' (ЗЛО)

V U

ициент передачи '^gv ^{тем ВШ1в}' ^{чем выше} сопротивле-

сгрузки Я . Для диодного" детектора (рис. 2а) г.ри

В-хрдное сопротивление детектора характеризует степень его ■влия­ния..на питающий контур. Когда входной сигнал диодного детектора ени-хървщ с колебательного контура, детектор шунтирует этот контур. Цитирующее действие детектора характеризуется его входным сопротив­ление.». Под входным сопротивлением детектора понимается отношение амплитуды высокочастотного напряжения, приложенного к детектору, к агшгатуде первой гармоники тока через детектор

• 'tb-r-i ^(ЗЛ1)

О-^еиь важно, чтобы входное сопротивление детектора было достаточно большим. Можно показать, что входное сопротивление детектора при последовательной схеме включения (рис. 2а) равно

"fit ~. — > (3.12)

и при параллельной схеме включения (рис. 26) -

R, . .Л- (3.13)

Н"лкнейные искажения обусловлены в первую, очередь нелинейностью детекторной характеристики. При синусоидальной модуляции ;п ект-р тока на выходе детектора содержи* полезную составляющую, высшие гармоники модуляции (Л, 2 Л, ЗЯ,...)• ³ также постоянную составляющую и сое-» тавляюцие гармоник высокочастотного сигнала' (<^, 2 , 3*,.».). Сте- пень нелинейных искажений можно .определить коэффициентом не^лин^.шых искажений 1 '——!/'

Для уменьшения влияния нелинейности характеристики диода на детедг- тор подают высокочастотное напряжение большой амплитуды и использу- ют большие сопротивления нагрузки.- * *

Возможны нелинейные искажения, возникающие з детекторе (рис.2а) вследствие его инерционности (рис. б).

При большой постоянной времени разряда диод может оказаться запертым, когда из-за модуляции амплитуда высокочастотного напря­жения Ц_т уменьшается быстрее, чем U, - значение посто­янного напряжения на выходе детекторе. На участке 4& , когда диод заперт, форма выходного напряжения не" соответствует изменению амп­литуды входного напряжения. Можно показать, что нелинейные искаже­ния, возникающие вследствие инерционности, отсутствуют, если

RC ^л'/(Д_£т), (3.15)

где Slg ~ верхняя частота модулирующего сигнала;

т - коэффициент модуляции для частоты Slj .

I Возможны также нелинейные искажения, возникающие вследствие неравенства сопротивления нагрузки детектора постоянному и пере­менному току. Сопротивление нагрузки (рис. 2а) для постоянного то-ка^ Ч^'Я » Д^ля переменного тока ц ,JL3jl . Видно, что соп-

ротквлс.чие нагрузки длн переменного тока меньше, чем для постоянно­го: .-?„ «.-£„. В результате этого явления вьтрямленное напряжение и ток при любой частоте модулирующего сигнала имеют ограничение, мож­но показать, что максимальное значение коэффициента модуляции при котором искажениями, вследствие неравенства сопротивлений можно пренебречь, определяется из соотношения

Искажения из-за неравенства сопротивлений более опасны, нежели искажения вследствие инерционности, т.к. они возможны на всех час­тотах модулирующего сигнала, тогда как искажения вследствие инерци-онности возможны лишь на высоких частотах модулисующего сигнала.

I

и_е(<)

1_1

\ i i I ^{1 1} ' I I 1 Г i

II II 11

I '

Рис. 6.

Рассмотрим схемы амплитудных диодных детекторов, применяемых Н\а практике.

Пиковый детектор (рис. 7а) дзет на выходе напряжение, равное амплитуде поданного, т.е. • щ_х . Режим пикового детектора осуществляется, если амплитуда поданного на вход сигнала достаточно

- 40 ­валика', -так что нелинейностью характеристики диода можно пренеб­речь, а конденсатор С, заряженный через диод до амплитудного зна­чения, за период высокочастотного сигнала не успевает существенно разрядиться.

■4

V

Ч—W-

1

б)

Рис. 7. ^

В первый момент времени все напряжение приложено к диоду, так как С »С_Л , Поэтому в первый положительный .полупериод возника­ет большой импульс тока, который заряжает конденсатор до величины U_C{ . Однако полностью он не зарядится. При отрицательном полупе­риоде диод закрыт и емкость с немного разрядится через И_н до &сз. . При втором положительном ериоде емкость с под­зарядится до U_Ci > i/_Ci и т.д. Напряжение на емкости скоро уста­новится. Среднее значение М_0Ср. * ^v_m •

Когда > U_c через дьод проходят маленькие импульсы тока и подзаряжают конденсатор С . Ucy, ^ К_т по следующим при­чинам: I) внутреннее сопротивление диода в открытом состоянии

; 2) сопротивление нагрузки велико, но ^ °° .

Поэтому между и_т и г/_с существует связь

^сс • Uп. ^со*^&> (3.17)

где G-- /эхг/ц\

- угол отсечки.

-М-

Отсюда следует, что уменьшая отношение можно U_{c С/0}.

приблизить к и_п1 . Так при х/ц_н = I0"⁵ U<_r/u_m ■ С.98. Однако нельзя Ч_н увеличивать до °о , т.к. Т • с £_н будет очень велика и детектор станет инерционным.

Для детектирования амплитудно-кодулпрованных сигналов пиковый детектор не всегда пригоден, т.к. при высокой частоте модуляции напряжение на выходе пикового детектора может не успевать падать вслед за падением амплитуды детектируемого сигнала и появятся силь­ные нелинейные искажения. Чаще всего пиковый детектор используется в пиковых вольтметрах.

Детектор среднего значения (рис. 76) дает на выходе сигнал, напряжение которого Пропорционально среднему значению выпрямленно- го напряжения. Для синусоидальных колебаний, если амплитуда пода- ваемого напряжения велика и И_л (напряжение на Я, совпа- дает с постоянной составляющей пульсирующего напряжения и_о од- нополупориодного выпрямителя однофазного тока, показанного на рис. 2), то

(3.18)

Детектор среднего значения чаще всего используется в измери- тельной технике, так как он малочувствителен к посторонним сигна- лам малой величины и при его использовании легче получить более линейную зависимость аезду и l/^_v . При его использовании

в приемниках амллитудно-модудированных сигналов возможно и некото­рое укзньшение уровня атмосферных и промышленных помех. Однако, детектор среднего значения дает на .выходе сигнал примерно в три раза меньший, по сравнению с пиковым, поэтому при детектировании амплитудно-м-дулированных Сигналов обычно используется амплитудный детектор, по своим свойствам лежащий ближе к пиковому. Амплитудный

детектор (рис. 2а) дает на выходе сигнал, близкий к амплитуде по­данного напряжения.

Экспериментальная установка.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 8.

V

О-

С. 10.0л t$

IF

£₄ 9. и

С, _L с, is

Вх.

S,

Рис. 8. ^

Используя различные сочетания положения переключателей, можно по­лучить схему пикового детектора (рис. 7а), детектора среднего зна­чения (рис. 76), амплитудного детектора (рис. 2а).

При выполнении лабораторной работы используется следующее обо­рудование: генератор Г4-18А, вольтметр ВК7-9, осцилограф ИО-4.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с указанной литературой.

2. Ознакомиться с приборами по "Техническому описанию и инструкции к эксплуатации".

3. Исследовать амплитудные характеристики детекторов.

Для всех трех схем включения детектора (пикового, амплитудного, среднего значения) снять амплитудную характеристику на частоте I МГу,

- чЗ ­т.е. зависимость продетектированного постоянного напряжения U, от амплитуды поданного немодулированного сигнала U_m . Амплитуду по- даваемого напряжения определить с помощью элзктронного милливольт- метра. Построить зависимости V, °j(u_m) и определить коэф- фициент передачи .

4. Исследовать частотные характеристики детекторов.

Для всех трех схем включения снять частотную характеристику К^»К^(|) при входном напряжении, равном I в. Частотную характе­ристику снять во веек частотном диапазоне генератора. Для уменьше­ния числа измерений необходимо воспользоваться лога*ряфмической шка­лой частот.-Удобно взять частоты 31,6 кГц, 100 кГц, 316 кГц и т.д. Частотные характеристики снять при двух значениях усредняющей ем­кости ^п._л и С, »С, . Результаты измерений представить в виде графиков.

5. Провести исследование амплитудного детектора.

а) Снять зависимость величины продетектированного низкочастотно го сигнала от коэффициента модуляции т при частоте модуляции

I кГц, частоте несущей I МГц, амплитуде несущей 2 в. Измерения про­извести с включенным и выключенным сопротивлением нагрузки. Резуль­таты измерений представить в виде графиков.

б) Исследовать с помощью осциллографа искажения при выключенном сопротивлении нагрузки и большом коэффициенте модуляции для различ- ных значений емкости с : С_г , с-₄-с^ (нелинейные искажения, обус- ловленые инерционностью детектора). Для этого необходимо установить частоту модуляции I кГц, частоту несущей I мГц, амплитуду несущей

I в и увеличивая коэффициент модуляции определить его значение, при котором появляются заметнее нелинейные искажения. Сравнить его с рассчитанным по формуле (3.15).

в) Исследовать с помощью осциллографа искажения при включенном К_и.

Для этого необходимо установить частоту модуляции I кГц, частоту не-

■

сущей"I мГц, амплитуду несущей I в и, увеличивая коэффициент модуля­ции, определить его значение, при котором появляются заметные нели­нейные искажения. Сравнить его с рассчитанным по формуле (3.16).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой процесс детектирования называется линейным? ■ ••

2. Объясните принцип работы амплитудного диодного детектора.. .

3. Получите формулу, устанавливающую связь между t^_x- я Щ,_х для детектора среднего значения. -

4. Укажите преимущества и недостатки амплитудного детектора по сравнению с детектором среднего.значения.

5. Как изменится величина Пульсации напряжения на нагрузочном сопро­тивлении в схеме амплитудного детектора, если увеличить емкость с ?

6. Как изменится максимальное обратное напряженке, приложенное к за-пертому диоду в схеме выпрямителя однофазного тока, при подключе­нии конденсатора параллельно ^агрузке?

?. Для какой из трех схем диодного детектора коэффициент передачи наибольший?

8. Укажите преимущества детектора при последовательной схеке включе­ния по сравнению с детектором при параллельной схеме включения.

9. Как изменятся нелинейные искажения в детекторе, обусловленные не­линейностью характеристики диода, при увеличении fy_x и &_н ?