Частотные детекторы. Принципы работы и схемы ЧД. Искажения сигналов в ЧД

10 Частотные детекторы

10.1 Определение, назначение, классификация и основные параметры ЧД

Определение – ЧД называется устройство, выполняющую одну из 2–х функций:

– преобразования ВЧ напряжения, модулированного по частоте в НЧ напряжение, изменяющееся по закону модуляции;

–  преобразования отклонения несущей частоты сигнала от её номинального значения в постоянное напряжение, величина и знак которого характеризуют величину и знак этого отклонения.

1–ю функцию выполняют Ч демодуляторы они входят в состав УПиОС ЧМ сигналов.

1–ю функцию выполняют Ч дискриминаторы – они входят в системы АПЧ и вырабатывают управляющее напряжение.

Классификация: по виду преобразования сигнала ЧД подразделяются на

–  частотноамплитудные – происходит преобразование изменения частоты в изменения амплитуды с последующим детектированием в АД4

–  частотнофазовые – происходит преобразование отклонения частоты в отклонения между векторами основного и вспомогательного напряжения с последующим детектированием в ФД;

–  частотноимпульсные – преобразуют ЧМ сигнал в последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна отклонению входной частоты от среднего значения. НЧ напряжение, пропорциональное числу импульсов в единицу времени можно получить с помощью счетчиков импульсов;

–  автокорреляционные ЧД;

–  ЧД на основе ФАП (синхронные фазовые детекторы);

–  Цифровые ЧД.

Основные параметры:

1.  частотная или детекторная характеристика – зависимость выходного напряжения от частоты показана на рис. 10.1.

Рис.10.1.

Здесь ω₀ – переходная частота ЧД. Параметры, описывающие характеристику: крутизна (1) и раствор Пчд – интервал частот, лежащий между горбами частотной характеристики (приближенно можно считать Пчд=(2). Рабочий участок находится между горбами.

Требования к детекторной характеристике ЧД:

–  раствор Пчд должен соответствовать диапазону частот отклонений, которые возможны для данного сигнала в данном приемнике;

–  в пределах Пчд детекторная характеристика д.б. возможно более линейной;

–  при заданных Пчд и f₀ крутизна Sчд д.б. возможно большей;

–  переходная частота f₀ д.б. достаточно стабильной.

В случае ЧД демодулятора наиболее важным является линейность характеристики внутри Пчд (мин. Искажения) при большем растворе – большем максимальной девиации частоты. Требования  к крутизне и стабильности частоты могут быть ослаблены.

В случае ЧД дискриминатора наиболее важно требование стабильности частоты, т.к. в системах АПЧ нестабильность частоты будет перенесена на подстраиваемые частоты, а также важно симметрия характеристики относительно f₀ и большей крутизне, т.к. вблизи нуля нестабильность УПТ велика.

2.  Коэфф. передачи по напряжению (1);

3.  Искажения сигнала – нелинейные, линейные (частотные и фазовые);

4.  Входное сопротивление;

5.  Коэфф. фильтрации ВЧ напряжения.

10.2 Принципы работы и схемы ЧД

Как правило, на входе ЧД ставят АО, чтобы убрать паразитную АМ. АО – обязательный элемент тракта приемника ЧМ сигналов.

1.  Частотноамплитудные детекторы (ЧАД) (ЧД на расстроенных контурах)

Принцип работы основан на подаче входного сигнала на наклонный участок резонансной характеристики. В качестве резонансной системы м.б. использована любая частотнозависимая цепь – LC контура, RC–фильтры, активные RC–фильтры, микрополосковые ф–ры, пьезо, механич., керамические фильтры и т.д.

На рис.10.2 показан график работы.

Рис.10.2.

Как правило, используют балансные схемы. Схема балансного ЧД с 2–мя расстроенными контурами показана на рис.10.3.

Рис10.3.

Здесь токи через Д1 иД2 протекают во встречном направлении, а выходное напряжение (2).

Детекторная характеристика такого ЧД получается из взаимодействия двух характеристик расстроенных контуров.

Рис.10.4.

Если параметры контуров и диодов одинаковы, то уравнение детекторной характеристики будет (1). Здесь ξ – текущая расстройка, а ξ₀ – расстройка при нулевом отклонении частоты (2).

Крутизна детекторной характеристики при ξ=0 (3). Анализ показывает, что максимальное значение крутизны достигается при ξ=1/√2. Однако наименьшая степень нелинейных искажений достигается при ξ=1/√1,5.

2.  Частотнофазовые детекторы (ЧФД)

На практике широко используются ЧД с преобразованием ЧМ–ФМ с последующим детектированием в ФД. По сравнению с ЧД на расстроенных контурах они легче настраиваются. Перед таким ЧД нужен обязательно АО.

Структурная схема рис.10.5.

Рис.10.5.

Принципиальная схема диодного ЧФД на рис.10.6.

Рис.10.6.

Здесь дроссель нужен для замыкания постоянного тока диодов. Тогда к каждому диоду приложено напряжение вида (4). С изменением частоты сигнала относительно резонансных частот контуров (fo) меняется фазовый сдвиг между ЭДС, наводимой во 2–ом контуре и током 2–го контура, что приводит к изменению напряжения на диодах и на выходе, которое определяется (5).

При fc=fo контура имеют чисто активное сопротивление и (6).

При fc<fo – характер сопротивления индуктивный.

При fc>fo – емкостной.

В результате при изменении частоты на входе напряжение на выходе образует требуемую детекторную характеристику, как на рис.10.1.

Отсутствие АО на входе приведет к переносу паразитной АМ в напряжение на выходе ЧФД.

Разновидностью ЧФД, не требующих АО на входе является дробный детектор или детектор отношений.

Схема такого детектора приведена на рис.10.7.

Рис.10.7.

Характерной особенностью его является наличие инерционных цепей, включенных параллельно детектору. Это делает его малочувствительным к паразитной АМ входного сигнала (с определенной частотой).

Так как пост. Времени выбирается из (7), то за период модуляции напряжение на цепочке существенно не меняется и на каждом диоде формируется автосмещение постоянной величины, что изменяет угол отсечки и изменяет Rвхода. Увел угла – умен Rвхода и сильней шунтирование контура – Ку уменьшается – напряжение уменьшается – угол растет и  наоборот.

Такой детектор выполняет роль диодного ограничителя с фиксированным порогом – не требует отдельного АО.

3.  Перспективными являются Д. без индуктивностей – автокорреляционные ЧД. Они построены на линиях задержки на ПАВ.

Схема такого детектора приведена на рис. 10.8.

Рис.10.8.

Здесь формирователь– преобразует входной сигнал в импульсы с изменяющейся частотой и длительностью. Фазовый сдвиг (1), где к–количество периодов.

Достоинства:

–  хорошо пригодна для микро исполнения;