курсач / материалы / Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

обычно близок к режиму генератора тока. Последнее особенно важно для детектора отношения, режим работы которого от генератора тока обеспечивает необходимое подавление сопутствующей ампли­ тудной модуляции.

Последовательность определения основных элементов частотного детектора может быть следующей. Задаваясь напряжением на диоде 17д и сопротивлением нагрузки по постоянному току Rl, R2, опре­ деляют входное сопротивление детектора рис. 9.16. Затем рассчи­ тывают полосовой фильтр так, чтобы заданная полоса обеспечива­ лась в нем при шунтировании контуров сопротивлениями, равными

Приступая к расчету частотного детектора, необходимо учиты­ вать следующее:

—собственные добротности контуров с учетом выходного сопротивления ведущего транзистора желательно выбирать намного больше рабочей добротности;

—емкости контуров полосового фильтра должны быть не менее 30...50 пФ, чтобы изменение диффузионной емкости диодов не влия­ ло на настройку контуров частотного детектора;

—в радиовещании используют промежуточные частоты 6,5; 8,4 или 10,7 МГц при максимальной девиации 50 кГц; при этом по­ лоса пропускания частотного детектора должна быть, как показано

в[4], порядка 250...500 кГц;

—в различных классах транзисторных приемников метрового диапазона значение напряжения на диодах при входных сигналах,

соответствующих чувствительности приемника, колеблется от 150 до 300 мВ.

В этих условиях сопротивление резистора нагрузки детектора по постоянному току нельзя брать очень малым и слишком большим.

Впервом случае нельзя получить требуемый коэффициент передачи, а во втором — обеспечить режим работы диодов от генератора тока.

Всовременных радиоприемниках значение этого сопротивления следует выбирать от 5 до 20 кОм.

Определение параметров детектора ЧМ сигнала

Вследствие зависимости входного сопротивления детектора от уровня сигнала и разницы нагрузок детекторной цепи для постоян­ ного тока и частоты модуляции изменение напряжений на дио-

382

дах {/д1 и (7д2 при изменении частоты будет зависеть не только от фазовой характеристики, но и от параметров диодов, нагрузок де­ тектирующей цепи и величины подводимых напряжений.

Для определения коэффициента передачи частотного детектора необходимо: определить глубину амплитудной модуляции т, пре­ образованной фазовращающим трансформатором из частотной мо­ дуляции, при условии, что детектор питается от генератора напря­ жения; рассчитать элементы детектора AM сигнала, эквивалентного частотному детектору (сопротивления нагрузки по постоянному и переменному току); рассчитать напряжение на входе ведущего транзистора, обеспечивающее заданное напряжение на диодах,

азатем и напряжение на выходе частотного детектора. Определение глубины амплитудной модуляции. Напряжения на

диодах частотного детектора со связанными контурами определяют как

где /1 — амплитуда 1-й гармоники коллекторного тока; R3 — резо­ нансное сопротивление параллельного контура; £ = A/cQH/Qo — обобщенная расстройка; А/с — девиация частоты сигнала; QH — добротность нагруженных контуров частотного детектора; 0 — пара­ метр связи; ксъ — коэффициент связи между катушками контуров.

При подаче на вход частотного детектора сигнала с девиацией, соответствующей |, напряжение на каждом из диодов колеблется от иг до UПоэтому напряжение на диоде можно представить как AM колебание с амплитудой U и глубиной модуляции

Определяя модули выражений (9.46) и подставляя их в (9.47), можно записать выражение для глубины амплитудной модуляции без учета реакции детекторной цепи

Коэффициенты модуляции высокочастотного напряжения на диодах при питании детекторной цепи от источников сигнала с нулевым и не равным нулю внутренними сопротивлениями в общем случае не сов­ падают. Однако при ЧМ изменения амплитуды напряжений на дио­ дах противофазны. Это приводит к тому, что изменение реакции на контур одного диода компенсируется противоположным измене­ нием реакции другого диода, т. е. при ЧМ глубина модуляции на­ пряжения на каждом диоде соответствует формуле (9.48).

Определение параметров детектора AM сигнала, эквивалентного частотному детектору для токов низкой частоты. Если на детектор отношений (см. рис. 9.14, б) воздействует немодулированный сиг­ нал, то выпрямленный ток /вп протекает через диод Д7 от контура

383

к нагрузке, а через диод Д2 от нагрузки к контуру. Пусть за счет быстрого приращения напряжения ток обоих диодов изменился на величину Д/вп. Если на диоде Д1 напряжение возросло, то направ­ ление тока Д/вп через него совпадает с направлением тока Iвп. В это же время на диоде Д2 напряжение уменьшилось, уменьшился и выпрямленный ток, что эквивалентно протеканию тока Д/ЕП так­ же от контура к нагрузке.

Так как резисторы R1 и R2 равны и для токов низкой частоты включены параллельно (конденсатор СЗ представляет собой короткое замыкание для токов низкой частоты), то нагрузкой каждого детек­ тора AM является сумма Rv/2 + /?вхунч. Падение напряжения на этой нагрузке при протекании тока 2 Д/вп

Ua~ 2Д/ВП (Rbx унч + 0,5 RJ = Д/вп (2/?вх унп + Ri). (9.49)

Уравнение (9.49) позволяет построить эквивалентную схему детектора отношений для токов низкой частоты (рис. 9.18, а). На­ пряжение низкой частоты на R,JX унч будет равно

Эквивалентная схема дискриминатора для токов низкой частоты соответствует рис. 9.18, б, а выходное напряжение можно определить из уравнения

В уравнениях (9.50), (9.51) — коэффициент передачи диодного детектора по низкой частоте.

Следует подчеркнуть, что в отличие от применяемых на прак­ тике схем детекторов AM сигнала и дискриминаторов, схема детек­ тора отношений приводится к детектору, сопротивление нагрузки

£к 4* о • 5§вх

где 1 !тк — отношение напряжения на 1-м контуре к напряжению на коллекторе.

Учитывая, что при оптимальном выборе параметров фазовращаю­ щего трансформатора, как было показано в начале параграфа,

384

имеем

(9.54)

откуда

(9.55)

Rfeyirifi

гКбхунч

Рис. 9.18. Эквивалентные схемы для токов низкой частоты:

а— детектор отношений; б — дискриминатор.

Понимая под коэффициентом передачи частотного детектора Кчд отношение напряжения на входе УНЧ к напряжению на базе ведущего транзистора, из соотношений (9.50), (9.51), (9.55) найдем соответственно для детектора отношений

i — io (е?{/я — I). В этом случае входное сопротивление детекто­ ра AM и коэффициент его передачи по постоянному току могут быть определены из графика на рис. 9.19. Для этого необходимо

Подавление сопутствующей амплитудной модуляции

При амплитудной модуляции напряжения на диодах частотного детектора изменяются синфазно. Поэтому в первом приближении (пренебрегая зависимостью коэффициента передачи детектора по низкой частоте для AM сигнала K^qaia от U) низкочастотное на­ пряжение на выходе дробного детектора и дискриминатора про­ порционально величине | | — | [72|. Следовательно, в детекторах обоих типов при симметричности их схем и совпадении частоты сиг­ нала с частотой настройки выходное напряжение, вызванное сопут­ ствующей AM, отсутствует.

В случае несовпадения частоты сигнала с частотой настройки на­

сопротивление детектора зависит от величины сигнала, глубина мо­ дуляции высокочастотного напряжения на диоде отличается от глу­ бины модуляции напряжения на входе преддетекторного каскада. При этом /идм может оказаться существенно меньше, если детек­ тор возбуждается генератором тока.

Поскольку для выполнения указанного условия в схемы частот­ ных детекторов обычно не включают источники смещения, необхо­ димо обеспечить как можно большие значения подводимых к диодам сигналов, минимальные значения Rr и R2, максимальное раз­ личие нагрузок для постоянного тока и токов низкой частоты при AM: R, > R„ am. В частности, при использовании дискриминатора

связью между катушками L3 и L2, неидентичностью обеих половин катушки L2 и различием параметров диодов. Для симметрирования схемы используют резисторы, включенные между диодами и нагруз­ кой. Расчеты показывают, что величина подавления АМ мало зави­

386

Нелинейные искажения и дополнительные настройки в частотном детекторе

Наряду с подавлением амплитудной модуляции параметры ча­ стотного детектора во многом определяют уровни нелинейных иска­ жений и дополнительных настроек в приемнике.

Коэффициент гармоник kf можно рассчитать методом трех орди­ нат [5]. При этом считается, что цепь диодов не вносит искажений, т. е. вносимые со стороны диодов сопротивления не меняются в про­ цессе частотной модуляции сигнала. В этом случае

U7 = с Vl+(0,5g+^-Vl+(0,5g-P)a

У(1+р2-0,25^) + р^

V :С Vt+^ + ^-Vi+tg-p)2

с — const.

Vl+p2-g2) + 4^

На практике значение будет несколько больше, чем рассчитан­ ное по формуле (9.59). Во-первых, уровень 3-й гармоники увеличи­ вается из-за нелинейности детекторной цепи. Во-вторых, при рас­ стройке сигнала сопротивления, пересчитанные со стороны детектор­ ной цепи в контуры фазовращающего трансформатора, будут отли­ чаться от /?БХ, что приводит к искажениям вольт-частотной харак­ теристики частотного детектора (S-кривой).

Искажения, вызванные нелинейностью диодов, невелики. При напряжениях не менее 200 мВ уровень 3-й гармоники в цепи диодов не более 0,5%. Искажения, вызванные зависимостью вносимых сопротивлений от частоты сигнала, имеют существенное значение при больших относительных расстройках (при £ 0,3). Практически можно считать, что суммарный коэффициент гармоник частотного детектора будет меньше 1,5%, если выполняются следующие усло­ вия: 0,5 < < 2, К 0,3 и g < 0,3 3.

Кривая зависимости напряжения на выходе’детектора от часто­ ты Настройки в метровом диапазоне имеет, как правило, три макси­ мума (рис. 9.20). Средний из них — полезный, соответствует наст­ ройке на среднюю точку S-кривой. Боковые максимумы — вредные. Они образуются из-за детектирования, соответствующего боковым скатам резонансной кривой (рис. 9.20).

В приемниках эффективное ограничение напряжения промежу­ точной частоты наступает при подаче на вход приемника сигнала, в 2—3 раза превышающего его чувствительность. Для таких сигна­ лов S-кривая всего приемника будет практически соответствовать S-кривой частотного детектора. С уменьшением параметра связи величина подавления дополнительных составляющих увеличивает­ ся и при р < 0,5 может превысить 10 дБ.

Пример 9.4. Рассчитать элементы частотного детектора (рис. 9.14.) и его параметры. ' ~ •

Исходные данные', напржение на диоде Ua = 200 мВ; промежуточ­

=300 кГц.

Расчет

1.Определяем RBX д детектора AM. Зададимся сопротивлениями

модуляции на каждом диоде согласно формуле (9.48) т — 0,36.

388

9.4. ФАЗОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Фазовые детекторы находят широкое применение в различных фазометрических устройствах в системах автоподстройки частоты, в следящих узкополосных фильтрах, способных автоматически пере­ страиваться при изменении частоты принимаемого сигнала, а также для детектирования фазомодулированных и фазоманипулированных сигналов. По способу построения их можно разделить на векторо­ мерные и коммутаторные. Из векторомерных наиболее часто при­ меняют балансные фазовые детекторы.

Балансный фазовый детектор

Такой детектор (рис. 9.21, а) состоит из двух встречно включен­ ных амплитудных детекторов, нагрузкой которых являются соот­ ветственно резисторы и конденсаторы R1, СГ, R2, С2. При этом Сх — С2 = С и Rt = R2 ~ R. Одно из входных напряжений подво­

рие. 9.21. Схема балансного фазового детектора (а) и векторная диаграмма для его расчета (б).

дится к схеме с помощью трансформатора Тр1 со средней точкой та­ ким образом, чтобы составляющие этого напряжения и[ и щ имели одинаковую амплитуду и действовали на диоды Д1 и Д2 в противо­ фазе, т. е.

= Ur cos (со^ + cpj; uj = — U1 cos (co^ + <px).

Второе входное напряжение u2 = U2 cos (co2/ + <p2) через трансфор­ матор Tp2 подводится к диодам с одинаковой фазой.

Таким образом, на каждом из диодов действует сумма двух на­ пряжений (конденсаторы С1 и С2 для токов частот оу, и со2 представ­ ляют короткое замыкание): идх = u2 + u't\ ищ = и2 + и[.

Амплитуды результирующих напряжений С/д1 и (7Д2 можно определить графически с помощью векторных диаграмм (рис 9.21, б).

Результирующий фазовый угол <р между векторами Ux и П2 опреде­ ляется равенством <р — (coj — <в2) t + <рх — <р2. С помощью диаграмм

389

легко получить значения результирующих амплитуд напряжений, приложенных к диодам Д1 и Д2,

детектора.

Результирующее выходное напряжение фазового детектора

Это выражение представляет собой уравнение амплитудно-фазовой характеристики балансного фазового детектора.

Крутизну характеристики балансного фазового детектора можно найти, дифференцируя уравнение его амплитудно-фазовой характе­ ристики (9.61):

в степенной ряд и ограничившись двумя первыми членами разло­ жения:

Основное уравнение амплитудно-фазовой характеристики (9.61)

из входных сигналов будет являться опорным.

Для балансного фазового детектора характерно, что его выход­ ное напряжение зависит от соотношения амплитуд входных напря­ жений h = 1Д11Д (рис. 9.22). Амплитудно-фазовые характеристики, приведенные на рис. 9.22, построены по (9.63) для различных зна­

следующие выводы. При 1Д — U2 характеристика практически мо­ жет считаться линейной, крутизна ее согласно (9.62) будет равна Зфд = У2ХД£/. Если 1Д > 1Д, то характеристика приближается

390

к косинусоидальной, а крутизна детектора стремится к своему мак­ симально возможному значению (9.65).

Предельное значение обобщенной величины у = 2 свидетельст­ вует о том, что максимальное напряжение на выходе детектора не может превышать удвоенной величины наименьшего из входных на­ пряжений (при условии Кд = 1). Предельное значение коэффициен­ та передачи напряжения будет равно /<фд = 2 /Сд.

При выполнении неравенства U.2 > U2 величина максимального значения выходного напряжения зависит практически только от наименьшего из входных напряже­

нялось условие Ux > U.2-

Оценим приближенно порядок входных сопротивлений баланс­ ного фазового детектора. Если внутреннее сопротивление диода на­ много меньше сопротивления нагрузки, то входное сопротивление последовательного диодного детектора при достаточно больших входных напряжениях приближенно равно R/2. Следовательно, входное сопротивление балансного фазового детектора со стороны первого входа, пересчитанное ко вторичной обмотке трансформа­ тора Тр1 (см. рис. 9.21, а), будет равно сумме двух входных сопро­ тивлений амплитудных диодных детекторов, т. е.

Со стороны второго входа входное сопротивление, приведенное ко вторичной обмотке трансформатора Тр2, будет складываться из двух параллельно включенных входных сопротивлений диодных

Заметим, что для упрощения все входные напряжения и сопро­ тивления в схеме на рис. 9.21, а рассматривались приведенными ко вторичным обмоткам трансформаторов Тр1 и Тр2. Очевидно, эти величины можно легко пересчитать к первичным обмоткам, т. ё. Непосредственно на оба входа схемы фазового детектора.

391