9

Новиков А.В., Шевяков М.М.

Лабораторная работа исследование частотного детектора

Целью работы является ознакомление с принципами действия и схемами частотных детекторов, их характеристиками и методикой измерения этих характеристик.

1. Общие положения

Действие большинства применяемых частотных детекторов (ЧД) основано на преобразовании частотной модуляции (ЧМ) сигнала в амплитудную (АМ) или фазовую модуляцию (ФМ) с последующим детектированием АМ или ФМ сигнала.

Для преобразования ЧМ в АМ чаще всего используется так называемый фазосдвигающий трансформатор, возможные варианты схемы которого приведены на рис.1. Фазосдвигающий трансформатор применяется при построении частотного дискриминатора и детектора отношений. Для пояснения работы фазосдвигающего трансформатора на рис.2 приведены векторные диаграммы при совпадении частоты приходящего сигнала f_сс резонансной частотой f_околебательных контуров L1C1 и L2C2 (рис.2.а) и при расстройке частоты сигнала относительно f_о(рис.2.б).

Фазосдвигающий трансформатор на рис.1.а содержит два индуктивно-связанных контура L1C1 и L2C2. U2 на рис.2 - напряжение, создаваемое на контуре L2C2 за счет взаимоиндукции L1 и L2. На входы амплитудных детекторов через внешний элемент связи конденсатор C4 подается также опорное напряжение U1 из контура L1C1. Напряжение U1 выделяется на дросселе L3.

Таким образом, напряжения на входах амплитудных детекторов U_АД1и U_АД2складываются из напряжения U1 и половины напряжения U2, сдвинутого при приеме сигнала без расстройки на 90 градусов. Действительно, ток через L1 - I1=U1/(jL1), э.д.с. самоиндукции на L2 - E2=I1 jM (М - взаимоиндукция L1 и L2), ток в настроенном контуре L2C2 - I2=E2/r2 (r2 - последовательное сопротивление потерь в контуре L2C2), и напряжение U2=I2 jL2, так что

1 U1 L2 M

U2 = jL2  jM  = j  U1.

r2 jL1 L1 r2

При расстройке ток I2 не совпадает по фазе с E2, так как сопротивление контура L2C2 перестает быть чисто активным, и происходит, как показано на рис.2.б, перекос векторной диаграммы в ту или иную сторону. Амплитудные детекторы вырабатывают напряжения, пропорциональные амплитудным значениям U_АД1и U_АД2. Разность напряжений амплитудных детекторов равна нулю при отсутствии расстройки и принимает некоторое положительное или отрицательное значение при уходе частоты входного сигнала от резонансной частоты контуров L1C1, L2C2.

В настоящее время в реальных схемах ЧД используется фазосдвигающий трансформатор, изображенный на рис.1.б. Устройство содержит два колебательных контура L1C1 и L2C2, настроенных на одну частоту. Индуктивная связь между контурами отсутствует, катушки L1 и L2 намотаны на отдельных каркасах и размещены в отдельных экранах. Связь контуров L1C1 и L2C2 осуществляется через катушку связи L3 контура L1C1. Отвод в катушке индуктивности L2 сделан от середины.

Как видно из схемы, напряжения на входах амплитудных детекторов U_АД1=U1+U2/2 и U_АД2=U1-U2/2. Для обеспечения нормальной работы ЧД (рис.2) между напряжениями U1 и U2 на резонансной частоте f_о колебательного контура L2C2 вводится задержка по фазе 90 градусов за счет конденсатора связи C4. Емкость конденсатора C4 выбирается небольшой так, чтобы напряжение U1 в основном прикладывалось к C4. Это условие выполняется, если в последовательном колебательном контуре связи, состоящем из катушки связи L3, частично включенного контура L2C2 и конденсатора C4, реактивное сопротивление C4 на резонансной частоте значительно превосходит входное сопротивление частично включенного контура L2C2. Входное сопротивление частично включенного контура L2C2 на резонансной частоте носит чисто активный характер и равно R2/4, где R2 - параллельное сопротивление потерь в контуре L2C2. В этом случае ток через конденсатор C4 - I2=U1 jC4 и напряжение U2=I2R2/2 опережают напряжение U1 на 90 градусов.

На рис.3 приведена структурная схема, поясняющая принцип действия ЧД на перемножителе. Линия задержки на , через которую проходит принимаемый сигнал к одному из входов перемножителя, может быть выполнена и в виде обычного колебательного контура (вносимая им задержка равна производной от фазочастотной характеристики по круговой частоте). Для принимаемой частоты f_с=f_озадержка наприводит к фазовому сдвигу напряжений на входах перемножителя на 90 градусов. В этом случае после перемножения напряжений и усреднения выходного напряжения перемножителя в фильтре нижних частот напряжение на выходе ЧД равно нулю. При небольшом отклонении частоты от f_oпоявляется постоянная составляющая произведения на выходе перемножителя. Знак ее зависит от того, больше или меньше 90 градусов разность фаз напряжений на входах перемножителя, что, в свою очередь, зависит от направления расстройки частоты. Значение выходного напряжения меняется при изменении той же разности фаз, и в некоторых пределах зависимость напряжения на выходе от расстройки входного сигнала линейна, что и требуется для частотного детектирования.

Более подробное описание принципов работы и основных принципиальных схем ЧД имеется в литературе [1...4].

Полоса частот, занимаемая спектром частотно-модулированного сигнала, может значительно превышать ширину спектра сигнала модуляции. В этом случае при детектировании ЧМ сигнала можно получить заметный выигрыш в отношении сигнал-шум, т.е. отношение сигнал-шум на выходе ЧД будет значительно превосходить отношение сигнал-шум на его входе. Однако, выигрыш может быть получен лишь в надпороговой области при достаточно высоком отношении сигнал-шум на входе ЧД (обычно более 10 дБ). Надпороговый выигрыш при детектировании ЧМ сигнала с синусоидальным законом модуляции может быть рассчитан по следующей формуле:

3 f ²_мaксF_упч

B_теор =  ,

2 F³_ск

где f_мaкс - девиация частоты ЧМ сигнала (максимальное отклонение частоты от номинального значения в процессе модуляции);

F_упч - энергетическая полоса пропускания додетекторного тракта приемника, обычно это энергетическая полоса пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ) (в лабораторном макетеF_упч=150 кГц);

F_ск - среднеквадратическая полоса пропускания фильтра низких частот (ФНЧ) на выходе ЧД.

Значение энергетической полосы пропускания F_упч рассчитывается по формуле:

_

F_упч =  K²_упч(f)df,

⁰

где K_упч(f) - нормированная АЧХ додетекторного тракта (УПЧ).