3.5.4. Частотное и фазовое детектирование

Представим сигнал на входе детектора в виде

Для устранения нежелательной амплитудной модуляции необ­ходимо применение амплитудного ограничителя. Тогда на входе собственно частотного детектора (ЧД) напряжение будет

Напряжение на выходе ЧД должно воспроизводить закон изме­нения мгновенной частоты сигнала. Поэтому для идеального ЧД получим

, (3.130)

где — крутизна характеристики детектора, В/Гц.

Предполагается, что , а, следовательно, и являются «медленными» функциями времени. Для выделения сообщения из ЧМ колебания, ЧВС которого состоит только из высокочастот­ных составляющих (несущая частота и боковые частоты модуля­ции), необходимо нелинейное устройство в виде частотного детектора.

Для осуществления частотного детектирования широко используют ЧД, состоящий из избирательной линейной цепи, пре­образующий частотную модуляцию в амплитудную, и амплитуд­ного детектора.

В качестве линейной цепи можно использовать любую электри­ческую цепь, обладающую неравномерной частотной характеристикой: цепи RL, RC, фильтры, колебательные контуры и т. д.

Схема частотного детектора, содержащего простой колебательный контур, приведена на рис. 3.33. Если резонансная частота контура отличается от средней частоты модулирован­ного колебания , то изменение амплитуды напряжения на контуре повторяет в пределах линейной части характеристики контура изменение частоты входного напряжения (рис. 3.34).

Изменение амплитуды высокочастотного напряжения с помощью диода VD преобразуется в низкочастотное напряжение, ко­торое выделяется на апериодической нагрузке RC. Отметим, что при точной настройке контура на частоту сигнал искажается: частота изменения огибающей получается вдвое выше частоты полезной модуляции.

Недостатком рассмотренной схемы является необходимость настройки контура на частоту, отличную от частоты немодулированного колебания. Кроме того, резонансная кривая одиночного колебательного контура имеет весьма ограниченный линейный участок.

На рис. 3.35 показана схема ЧД, широко используемого в при­емниках частотно-модулированных колебаний. Она содержит коле­бательную цепь в виде двух индуктивно связанных контуров, на­строенных на частоту . Напряжение высокой частоты подается на базу транзистора, а продетектированное на­пряжение выделяется на резисторах и . Принцип действия такого детектора поясняется эквивалентной схемой и векторной диаграммой, изо­браженными на рис. 3.36 и 3.37.

Пусть , – на­пряжения на первом и втором контурах, а и – напряжения в точках В и D относительно эмит­тера (земли). Заметим, что и представляют собой амплитуды высокочастотных напряжений, приложенных соответственно к дио­дам VD₁ и VD₂.. В отсутствие модуляции, когда частота входного напряжения совпадает с резонансными частотами контуров, напряжение на индуктивности второго контура сдвинуто по фазе на 90° относительно резонансного напряжения .

Действительно, при индуктивной связи двух одинаковых контуров

(3.131)

Так как при , и , получим

(3.132)

(где – добротность второго контура), т.е. опережает на 90°.

Определим напряжения и . Учитывая, что в схеме заме­щения (рис. 3.36) средняя точка второго контура присоединена по высокой частоте непосредственно к точке А и, следовательно, напряжение является суммой напряжения и половины на­пряжения получим

(3.133)

Аналогично для можно написать

(3.134)

Модули напряжений

, (3.135)

а фазы симметричны относительно фазы напряжения . Со­ответствующая этому случаю векторная диаграмма показана на рис. 3.37, а. Так как выпрямленные напряжения и , действующие на резисторах и (рис. 3.35), пропорциональны амплитудам и , то результирующее напряжение на выходе детектора, равное разности и , при резонансной частоте будет равно нулю.

Рассмотрим векторную диаграмму напряжений при рас­стройке. Пусть частота на входе детектора отклонится от резонанс­ной частоты на , причем . Тогда вектор DB, соответствующий напряжению (рис. 3.37, б), повернется от­носительно своего резонансного положения на угол , который определяется выражением

, (3.136)

а выражения (3.134) и (3.135) будут иметь вид

.

Первый и второй контуры обычно берут идентичными, поэтому отношение является коэффициентом связи контуров. Кроме того, считают . Введя обозна­чение и переходя к модулям, получим

.

При определении напряжения на выходе ЧД необходимо учиты­вать, что в процессе частотной модуляции изменяются сопротив­ления, вносимые из второго контура в первый. Поэтому при неиз­менной амплитуде тока (промежуточной частоты) в цепи коллек­тора напряжение изменяется по закону

, (3.137)

где – резонансное значение напряжения .

С учетом дифференциального включения нагрузок (рис. 3.35), окончательное выражение для напряжения низкой частоты на выходе ЧД приводится к виду

. (3.138)

Зависимость для различных значений параметра  приведена на рис. 3.38. Умножая ординаты этих характеристик на , а абсциссы на , получим характеристику ЧД в виде зависимости [В] от [Гц].

При выборе параметров контуров и величины связи основным требованием является обеспечение линейности характеристики ЧД и максимально возможной ее крутизны. В этом отношении наиболее предпочтительным является параметр  = 1 при ис­пользовании характеристики на участке . При этом максимальное значение достигает примерно 0,25.

Рассмотрим принцип работы фазового детектора (ФД). Пусть фаза вы­сокочастотного колебания, подлежащего детектированию, изменяется по закону . Если такое колебание подать на обыч­ный ЧД, реагирующий на изменение мгновенной частоты колебания, то напряжение на выходе детектора

, (3.139)

т. е. будет пропорционально производной фазы входного ко­лебания. Отсюда видно, что для осуществления фазового детекти­рования можно использовать обычный ЧД. Необходимо лишь дополнить его корректирующей цепью, осуществляющей интегри­рование выходного напряжения, т. е. цепью с передаточной функ­цией вида . Подобный прием используют при детектировании колебаний с медленно меняющейся фазой, т. е. когда производная фазы конечна. В случае скачкообразного из­менения фазы, а также при необходимости сравнения фазы при­нимаемого колебания с фазой опорного колебания применяют специальные фазовые детекторы, в которых выходное напряжение пропорционально огибающей напряжения, получаемого при сум­мировании колебаний со сравниваемыми фазами.