Эл и схем / scientific_of_amplitude_detector

Методическая разработка к компьютерной лабораторной работе по дисциплине

Устройства приема и обработки сигналов

Кафедра РЭИС

Никитин Н.П.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – УПИ» им. Б.Н.Ельцина

Кафедра «РЭИС»

Исследование диодного амплитудного детектора

Методическая разработка к лабораторной работе по дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов» для студентов всех форм обучения направлений 552500 Радиотехника, 654200 Радиотехника (специальностей 200700 Радиотехника, 201600 Радиоэлектронные системы), 654400 Телекоммуникации (специальность 201200 Средства связи с подвижными объектами).

Екатеринбург 2010

2

4

Амплитудные детекторы

Детектором называют устройство для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции одного из параметров входного сигнала. Детекторы можно классифицировать по характеру входного сигнала и виду параметра, который подвергается модуляции.

Назначение и обобщенная функциональная схема амплитудного детектора

Амплитудным детектором называется устройство, напряжение на выходе которого пропорционально огибающей входного радиосигнала.

Вдетекторе осуществляется выделение информационного сигнала,

всоответствии с которым изменяется амплитуда входного сигнала.

Спектр входного колебания детектора лежит в области высоких частот (несущей частоты сигнала), а спектр выходного - в области низких частот (частот модуляции). Преобразование спектра амплитудным детектором показано на рис. 1.

Рис. 1. Преобразование сигнала амплитудным детектором

Если на входе амплитудного детектора действует напряжение модулированное по амплитуде гармоническим низкочастотным колебанием, то график изменения этого напряжения во времени и его спектр имеют вид,

5

показанный на рис. 1,а. Напряжение на выходе детектора (рис. 1,6) должно меняться в соответствии с законом изменения огибающей входного напряжения. Спектр АМ колебания при модуляции чистым тоном состоит из трех составляющих: несущего колебания и двух боковых; спектр продетектированного напряжения состоит из двух составляющих: постоянной и низкочастотной

Такая трансформация спектра возможна только в устройствах, имеющих нелинейные или параметрические элементы. Роль таких элементов выполняют обычно полупроводниковые диоды или транзисторы. Выделение области частот модуляции и устранение высокочастотных составляющих спектра осуществляется фильтрами нижних частот. В соответствии со сказанным, обобщенная функциональная схема

непараметрического амплитудного детектора (рис. 2) состоит из последовательного соединения нелинейного элемента и фильтра нижних частот.

Рис. 2. Функциональная схема непараметрического амплитудного детектора

В параметрических детекторах (рис. 3) под действием гетеродина периодически меняется во времени параметр цепи (крутизна характеристики параметрического элемента ПЭ). Поскольку к таким устройствам относятся и преобразователи частоты, структурная схема параметрического амплитудного детектора совпадает со структурной схемой преобразователя частоты. Частоту гетеродина выбирают равной частоте несущего колебания на входе детектора, фаза гетеродина должна быть равна фазе входного сигнала, т.е. гетеродин должен быть синхронным с сигналом. Поэтому такой амплитудный детектор называют синхронным. Для реализации синхронности колебаний устанавливается цепь синхронизации, в качестве которой обычно выступает схема фазовой автоподстройки частоты.

6

UОГ (t) U0 U0 mcos(t θ), UОГ U0 me jθ ;

входное сопротивление детектора ( Z ВХ ). При подаче на вход детектора гармонического напряжения U0 cos ω0t силу нелинейности вольтамперной характеристики нелинейного элемента АД ток, протекающий через этот элемент, содержит постоянную составляющую и составляющие с частотами, кратными частоте входного сигнала ω0. Входное сопротивление АД определяется как отношение

ZВХ UС / Iω0 ,

искажения сигнала при детектировании. Процесс детектирования сопровождается неизбежными частотными, фазовыми и нелинейными искажениями. Наиболее полное представление о линейных (частотных и фазовых) искажениях дают амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики детектора (АЧХ и ФЧХ соответственно). Под АЧХ понимается зависимость модуля коэффициента передачи от частоты модуляции | Д(Ω)|, а под ФЧХ - зависимость аргумента комплексного

коэффициента передачи от частоты модуляции arg д(Ω). Обычно | д(Ω)| нормируют к своему максимальному значению. Нелинейные искажения характеризуются уровнем гармонических составляющих напряжения на выходе АД на частотах 2Ω, 3Ω,… при подаче на вход детектора однотонального AM колебания с частотой Ω. Численной мерой нелинейных искажений является коэффициент нелинейных искажений ν(Ω), определяемый как

где UΩ, U2Ω, U3Ω - амплитуды гармонических составляющих выходного напряжения АД на частотах Ω, 2Ω, 3Ω и т.д.

динамический диапазон входных сигналов D = Uвх max / Uвх min .Уровень максимального и минимального входного сигнала ограничивается в

8

большинстве случаев допустимыми нелинейными искажениями при детектировании;

коэффициент пульсаций νп = Uω вых / Uвыпр . Этот коэффициент определяет относительный уровень напряжения несущей частоты на выходе детектора, возникающего вследствие недостаточной фильтрации высокочастотных составляющих.

Режимы работы амплитудных детекторов

Синхронный детектор линеен по отношению к входному сигналу. Его характеристики практически не зависят от уровня входного сигнала.

Качественные показатели непараметрических амплитудных детекторов зависят от амплитуды входного сигнала. Методы оценки этих параметров различны для "слабых" и "сильных" сигналов. При этом понятие "слабого" и "сильного" сигнала относительно и зависит от свойств применяемого нелинейного элемента.

Обычно используется следующая классификация режимов диодных детекторов:

Режим слабого сигнала. Распространяется на сигналы с уровнем амплитуды порядка 25 мВ. В этом режиме характеристика диода хорошо аппроксимируется рядом Маклорена. Детекторная характеристика становится квадратичной, коэффициент передачи оказывается мал и пропорционален амплитуде входного сигнала, нелинейные искажения велики (коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике частоты модуляции равен ν = m/4). В соответствии с этими свойствами детектора режим детектирования слабого сигнала не находит широкого применения. Он используется либо в простейших приемниках, либо в измерительных приемниках мощности принимаемогго сигнала, где как раз и требуется квадратичная детекторная характеристика

Режим детектирования сильных сигналов. Распространяется на сигналы с уровнем амплитуды свыше 0,5 В. В этом режиме может быть использована линейно-лломаная аппроксимация характеристики диода. Характеристики детектора практически не зависят от уровня входного сигнала, детекторная характеристика становится линейной, уровень нелинейных искажений теоретически стремится к нулю. Режим широко используется на практике. Расчеты детектора также обычно проводятся в этом режиме.

9

Промежуточный режим. В диапазоне сигналов от 25 мВ до 0,5 В характеристика диода аппроксимируется экспонентой. Характеристики детектора в определенной степени зависят от уровня входного сигнала Расчетные формуы получаются сложными. В случае приема модулированного сигнала при достаточно глубокой модуляции этот режим возникает даже в случае, когда несущая выбрана таким образом, чтобы в отсутствие модуляции был обеспечен режим работы сильного сигнала.

Расчеты детектора в любом из перечисленных режимов могут быть выполнены на основании общей теории детектирования.

Общая теория детектирования

Общая теория детектирования позволяет найти параметры эквивалентного четырехполюсника, которые связывают отклонения токов и напряжений на выходе детектора с отклонениями амплитуд токов и напряжений частоты несущей на входе. Эти параметры называют внутренними параметрами детектирования.

Рассматриваемая схема приведена на рис. 4. Детектор характеризуется внутренними параметрами детектирования Yдij . Полагая детектор безынерционным, будем считать эти параметры действительными. На входе четырехполюсника введем в рассмотрение отклонение амплитуды сигнала ∆вх от уровня несущей и отклонение амплитуды составляющей тока несущей частоты ∆ωвх . На выходе рассмотрим отклонение выпрямленного напряжения ∆в и отклонение выпрямленного тока ∆в от некоторых значений Uв и Iв.

Рис. 4. Эквивалентный четырехполюсник

10