Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

Если включить резистор Ан так, как это показано на рис. 7.11, то при увеличеини фазового сдвига ток через Юн будет уменьшаться и выходное напряжение будет иметь положительную производную по фазовому сдвигу. Если же включить Юн в коллекторные цепи Т5 и Тз, то при увеличении фазового сдвига

ром Тз в диодном включении, Для наглядного представления процесса формирования выходного напря-

жения в ключевом фазовом детекторе будем счнтать транзисторы идеальными ключами, управляемыми опорным Шон и входным Ис напряжениями.

Согласно схеме рис. 7.11 ток { через резистор Юн является суммой токов 4-1. Ток й замыкается через транзисторы Ту, Тз, Ти, источник питания Ёо и на- грузку Юн. В интервалы времени, когда на зажимах фазового детектора ис ни п имеют одинаковые знаки, одна из указанных цепей замкиута. Прн положительной полярности мгновенных значений обоих напряжений замкнута цепь то- ка через транзистор Ть(Ть, Т», Ть, Еь Кн). При отрицательной полярности на- пряжений ис и Шоп замкнута цепь тока через транзистор Тт(Тт, Тз, Га, Ео, Юн}. При различных полярностях указанных напряжений образуется цепь тока через

201

и

транзисторы Тз и Гь, минуя резистор нагрузки Ан. Импульс тока через Юз опз ределяется током транзистора Т\.

При изменении сдвига фаз изменяется длительность импульсов тока через резистор Юн вследствие изменения продолжительности интервалов времени, когда одновременно напряжения ис И Ион имеют одинаковые знаки. На выходе

фильтра иижних частот, представленного на рис. 7.11 в виде В С-цепи, постоян- ная составляющая напряжения Изых-= будет линейно зависеть от временного или фазового сдвига входного иапряжеиия относительно опорного.

На рис. 7.12 показаны временные диаграммы входных напряжеиий фазово- го детектора и тока в напрузке для следующих фазовых сдвигов: равного иулю

202

|

которого изображена на рис. 7.11, выходное напряжение содержит постоянную составляющую, которая при необходимости может быть скомпенсироваиа.

Детекториая характеристика является четно симметричной функцией, удов-

больших напряжений ис И Шоп. Можно также перед подачей иа входы фазово- го детектора сформировать напряжения ис И Ион прямоугольной формы, используя двухстороиние ограничители мгновенных значений.

1.4. Частотные детекторы

Детекторы ЧМ сигналов (ЧМС) могут выполняться на основе

использования следующих принципов: 1) преобразования ЧМС в АЧМС с последующим детектированием амплитудным детектором; 2) преобразования ЧМС в ФЧМС с последующим детекти-

рованием фазовым детектором; 3) преобразования ЧМС в ИМС с последующим детектированием импульсным детектором. Структурные схемы детекторов, в которых использованы указанные

принципы, изображены на рис. 7.14.

Детекторы ЧМС, основанные на преобразовании ЧМС в АЧМС. В детекторах указанного типа ЧМС подводится на вход линейной цепи, которая имеет линейную зависимость амплитуды выходного напряжения частоты. На выходе этой цепи появляется напряжение, повторяющее закон частотной модуляции входного сигнала, и, кроме того, амплитуда этого напряжения будет с точностью до постоянного множителя повторять закон изменения частоты входного напряжения. Полученный АЧМС далее поступает

на вход линейного амплитудного детектора (АД). Простейшей цепью, осуществляющей линейное преобразование частотных из-

менений сигнала в амплитудные, является «идеальная» индуктивность, питаемая от генератора тока [:.. Схема преобразователя

показана на рис. 7.15. Частотный детектор этого типа имеет низ-

кую эффективность преобразования ЧМС в АЧМС из-за малой величины относительного частотного отклонения АНК.

В целях получения большего коэффициента усиления детекто- ра необходимо в качестве преобразователя ЧМС в АЧМС приме-

203

нять более сложные цепи с большей крутизной характеристики преобразователя Я твых/®»х. В качестве такой цепи можно ис-

пользовать расстроенный колебательный контур.

Принципиальная схема детектора ЧМС с одиночным расстроенным контуром изображена на рис. 7.16. Расстройка выбирается

туды выходного напряжения И при синусоидальном изменении частоты входного напряжения.

Ит2в

Рис. 7.17

К достоинствам частотного детектора с одиночным расстроенным контуром относятся простота выполнения детектора и его настройки, к недостаткам— большой уровень нелинейных иска“ жений, обусловленный нелинейностью скатов резонансной характеристики каскада, а также необходимость использования режима ограничения в ведущем усилительном приборе детектора.

204

Существенное уменьшение нелинейных искажений может быть

получено путем применения двухконтурных преобразователей ЧМС в АЧМС и балансного включения нагрузок амплитудных

детекторов.

Принципиальная схема детектора с двумя взаимно расстроенными контурами изображена на рис. 7.18. Формирование из ил-

ай

люстрируется рис. 7.19. Здесь преобразование ЧМС в АЧМС осуществляется каждым из контуров так же, как в преобразователе с одиночным контуром, схема которого изображена на рис. 7.16.

В выходную цепь усилительного прибора посредством трансформаторной связи включены два контура с резонансными частотами [1 и |2. Частоты настроек располагаются симметрично относительно несущей частоты входного сигнала о. Форма детекторной характеристики определяется выбранной расстройкой контуров &и=2АЮ/АЕк и может быть представлена в виде

из = Ка (И — Ч») = Ка И пах ПИ! + (Е) — И1 - (ЕНЫ У],

(1.12)

где Ка — коэффициент передачи амплитудного диодного детектора; &=2(}—р)/АРк — обобщенная расстройка.

Нетрудно убедиться, используя предельные переходы, что как

при малых, так и при больших выбранных взаимных расстройках контуров & крутизна характеристики детектора оказывается малой.

На рис. 7.20 изображены резонансные характеристики конту-

Ров при Ак<АЕ,/2, Ак=АР,/2, АЮ>АЕРк/2 и соответствующие этому формы детекторных характеристик ЧД. Анализ показыва-

ет [30], что максимальная крутизна детекторной характеристики

реализуется при оптимальной расстройке контуров Ё=1/ У. При малом отклонении Ё от т крутизна изменяется незначи-

тельно, однако увеличение & вызывает увеличение протяженности линейного участка характеристики, поэтому целесообразно выбирать №и=2-=3.

205

К достоинствам частотного детектора с расстроенными контурами следует отнести простоту настройки и достаточно высокую крутизну характеристики ДИвых/А (А{). Максимальная крутиз-

Максимальная крутизна детекторной характеристики при постоянном Ит»зх Увеличивается с увеличением крутизны усилитель-

ного прибора, коэффициента усиления амплитудного детектора и

те

206

коэффициента трансформации цепи связи усилительного прибора

ра как отношение амплитуды выходного напряжения, соответствующей максимальному частотному отклонению ЦИжвых = = (аи/АДРшахАЁтах), К амплитуде входного напряжения (Итвх:

Кчд — От вых/Ит вх = Ка 0,11 Ух пул Ск А лах — = Ка 0,44 У; п:/2 п С, (2А [вах

Видно, что коэффициент усиления частотного детектора определяется произведением коэффициента усиления амплитудного

детектора на множитель, характеризующий эффективность преобразования ЧМС в АЧМС. Этот множитель примерно в 2 раза

меньше коэффициента усиления резонансного усиления с одиночным контуром, полоса пропускания которого равна удвоенному частотному отклонению входного сигнала.

Рассмотренный частотный детектор обеспечивает значительно болыший коэффициент усиления по сравнению с детектором, выполненным по схеме рис. 7.15.

Недостатком детектора с взаимно расстроенными контурами является сильная зависимость формы характеристики от расстройки контуров, вызванной дестабилизирующими факторами.

Детекторы ЧМС, основанные на преобразовании ЧМС в ФЧМС. В детекторах, построенных на принципе преобразования ЧМС в

ФЧМС, входное частотно-модулированное напряжение подводит-

ся к линейной электрической цепи, обеспечивающей линейную за- висимость, фазы выходного напряжения от частоты. На выходе

этой цепи, осуществляющей преобразование ЧМС в ФЧМС, появляется напряжение, фазомодулированное относительно входного сигнала. Это напряжение и напряжение входного сигнала далее подводятся к фазовому детектору. Фазовый детектор может

быть выполнен по любой схеме [13]. Обратим внимание на то, что в отсутствие частотной модуляции опорное и входное напряжения фазового детектора для обеспечения линейного детектирования

должны быть сдвинуты на угол л/2.

На рис. 7.21 изображена схема частотного детектора, в кото-

Ром операцию преобразования ЧМС в ФЧМС выполняет одиночный колебательный контур. В качестве фазового детектора при-

менен ключевой детектор, изображенный на рис. 7.11.

Модулированное напряжение сигнала Ивх= Ото $11 Ффвх, ИСПОЛЬ- зуемое в качестве опорного, подается на один из входов детек-

тора. К второму входу подводится напряжение и с зажимов колебательного контура Г.кСк. Этот контур связан с входом устрой-

ства через конденсатор С. внешней емкостной связи.

207

Фазовый сдвиг, вносимый контуром при достаточно медленных изменениях частоты, можно определить по фазочастотной характеристике контура для установившегося состояния:

ф„=(л/2) — агс{о 2А о/АО,.

Прирашение выходного напряжения ключевого детектора

Для малых частотных отклонений представим Ди в виде ряда

Маклорена:

Ди = Ишах ПГ (О)-ЕР (0) х-Е (0) 2911 | (0) #131 ...1,

где х=2Ло/АОх.

Коэффициенты ряда найдем, дифференцируя (7.15) по х иустрем-

ляя х к нулю(0) =0,: (0) =1, }”(0) =0, |” (0) =—2. Таким об» разом, Ли—= Иша» (х—%3/3). Коэффициент нелинейности детекторной характеристики определим в виде частного от деления аб-

солютной величины отклонения характеристики от линейной 18 (Ли—)| на ординату идеальной характеристики Ди—ид= Ошахх:

Ён = 16 (Ди. )|/А ид = 2/3 = 4402/3 А 92.

Полагая, что допустимый коэффициент нелинейности удовлетворяет условию Ён доп#„, получаем соотношение для выбора по-

лосы пропускания контура АО. =2АшахИЗЁн.доп/. Для реализа- ции необходимой полосы пропускания контура. Г.„Ск его шунтируют резистором Юш=1/АО „Ск.

На рис. 7.23 изображена схема балансного частотного детектора с двумя одинаково настроенными контурами, в котором используется принцип преобразования частотных изменений сигнала в фазовые с последующим детектированием в фазовом детек-

торе. Фазовый детектор выполнен на диодах Д, и До. На оба дио- да подводится в качестве опорного напряжения напряжение на

первом контуре Ок. В качестве входного напряжения, фаза ко- торого относительно опорного изменяется при подаче ЧМС, использовано напряжение на втором контуре. Это напряжение под-

208

Рис. 7.23

развивается напряжение И»ко. Конденсатор Су, соединяющий по- тенциальную точку первого контура со средней точкой второго

контура, приводит потенциал средней точки второго контура к потенциалу коллектора усилительного прибора Т!. Поэтому к каждому из диодов Д, и Дэ2 подводится полное напряжение первого контура и половина напряжения второго контура:

Од. = Ив (1/2) О, Ож=Он(112)-—О». (7.16), (7.17)

Известно, что на резонансной частоте второго контура напряже- ние Око сдвинуто по фазе относительно Ох, на угол 90°. Поэтому, как следует из рис. 7.24,а, при резонансе амплитуды результирующих напряжений, подводимых к диодам Д, и До», равны, т. е.

Ил: = Од».

Ид > (д?

Рис. 7.24

209

Если коэффициенты передачи обоих плеч детектора одинаковы, то напряжение на выходе будет равно нулю, так как выходное напряжение детектора образуется как разность выходных напряжений диодных детекторов.

(рис. 7.24,6), то фазовый сдвиг положителен. В этом случае ам-

С увеличением расстройки фазовый сдвиг между током и эдс во втором контуре увеличивается. Это приводит к большему различию в амплитудах напряжений, действующих на входах плеч детектора, и, следовательно, к увеличению напряжения на нагрузке детектора. При малых расстройках фазовая характеристика кон-

тура оказывается практически линейной до значения фэ=л/4. Напряжения Ик: и Ок при больших расстройках уменьшают-

ся в соответствии с резонансными характеристиками контуров, поэтому при больших расстройках выходное напряжение из так-

же уменьшается (рис. 7.25,а). Указанная зависимость выходного напряжения детектора от расстройки наблюдается при параметре связи между контурами п<1. При связи, превышающей оптимальную (п>1), зависимость напряжения на втором контуре от частоты имеет характерный провал. Наличие этого провала при-

водит к тому, что дифференциальная крутизна характеристики детектора при малых расстройках оказывается меньшей, чем при расстройках, соответствующих приближению к максимумам на-

пряжения Ик›. В характеристике детектора для п>1 при |=}

появляется точка перегиба (рис. 7.25,6).

Найдем аналитическое выражение детекторной характеристики и›=Ф(АЙ. Выходное напряжение детектора определяется разностью напряжений на нагрузках плеч фазового детектора:

Ин=КаИдь Ив=Каз?дзО, где Ка Каз— коэффициенты усиле-

ния диодных детекторов первого и второго плеч.