Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

11.1. Цель работы

Цель работы — экспериментально исследовать процессы в частотном детекторе на расстроенных контурах и в балансном фазовом детекторе. Выявить зависимость детекторных характеристик от параметров схемных элементов, уяснить условия линейного детектирования.

11.2. Краткие теоретические сведения

Для детектирования колебаний с ЧМ пригодны устройства, постоянное напряжение на выходе которых зависит от частоты входного колебания. Идеальный частотный детектор (ЧД) вырабатывает постоянное напряжение Ūд, величина и знак которого прямо пропорциональны величине и знаку расстройки частоты F = f − f0 входного сигнала от некоторого номинального значения f0.

Один из возможных способов реализации детектора ЧМ-колебаний заключается в преобразовании ЧМ-сигнала в АМ-сигнал с последующим детектированием амплитудным детектором. В качестве преобразователя ЧМ- в АМколебание может быть использован расстроенный колебательный контур, включенный в качестве нагрузки линейного усилителя. Из теории известно, что ЧМнапряжение на выходе линейного резонансного усилителя может характеризоваться изменяющейся во времени огибающей амплитуд. Приобретенная в процессе усиления паразитная амплитудная модуляция обусловлена разной величиной коэффициента передачи усилителя на частотах усиливаемого колебания. Схематично это явление отражено на рис. 69 (без учёта инерционности), из которого видно, что для обеспечения минимальных искажений при переходе от ЧМ- к АМ-колебанию используемый участок АЧХ расстроенного контура ( f0 ± Fд) должен быть как можно более линейным.

135

Для рассматриваемого на рис. 69 случая настройки контура (fр < f0) наиболее протяжённый линейный участок АЧХ резонансного усилителя

крутизна которого изменяется не более чем на 7 %, наблюдается на расстройках ξЭ = 0.5...0.9. С учетом этого максимальное значение девиации частоты детектируемого колебания ограничено величиной Fдпр ≈ 0.2 Пf Э, где Пf Э — эквива-

лентная полоса пропускания резонансного усилителя (в Гц).

Для приближения зависимости Uк( f ) к линейной и увеличения Fд пр применяют балансную схему с двумя расстроенными контурами, называемую часто детектором (дискриминатором) на расстроенных контурах. Принципиальная электрическая схема такого детектора приведена на рис. 70.

Частотный детектор на рис. 70 содержит два линейных резонансных усилителя на транзисторах VT1 и VT2. Резонансные контуры усилителей L1C1 и L2C2 настроены на разные (несовпадающие) частоты: fк1 = f0 − ∆f и fк2 = f0 + ∆f. Частоты настройки контуров одинаково разнесены относительно переходной частоты f0 детектора (рис. 71), совпадающей со средним значением частоты детектируемого ЧМ-сигнала. На входы обоих усилителей подается одно и то же

136

ЧМ-напряжение uЧМ(t). Пусть для простоты входное напряжение представляет собой немодулированное гармоническое колебание: uЧМ(t) = U0 cos(2πf t). Если частота f этого колебания не равна переходной частоте ( f0 ), то амплитуды напряжений Uк1 и Uк2, снимаемых с контуров в установившемся режиме, будут иметь разную величину:

где K0, Пf Э — коэффициент резонансного усиления и эквивалентная полоса пропускания, одинаковые для обоих усилителей . Тогда будут отличаться по величине и выпрямленные амплитудными детекторами (построенными на диодах

VD1 и VD2) постоянные напряжения на нагрузках R1,2C3,4 (параметры АМдетекторов должны быть идентичными). Поскольку полярности выпрямленных

напряжений Ūд1 и Ūд2 противоположны (на катодах диодов способен накапливаться только положительный потенциал), то общее напряжение Ūд на выходе частотного детектора будет равно

Ūд =Kд (Uк2 −Uк1),

(74)

где Kд — коэффициент передачи амплитудных детекторов.

Uк1,2 2∆ f

− +

f

fк1 f0 fк2

Ūд = Φ(F)

0 α F 2Fm

Sд = tg α Рис. 71

Основной характеристикой частотного детектора является детекторная характеристика — зависимость выходного постоянного напряжения Ūд от вели-

137

чины расстройки частоты F входного сигнала относительно переходной частоты f0. У идеального детектора характеристика линейна и неограниченна. Угол наклона детекторной характеристики по отношению к оси расстроек, определяющий её крутизну Sд (В/Гц), должен быть как можно бо́льшим, чтобы малая расстройка F вызывала достаточно значимое по величине напряжение Ūд. Последнее особенно важно при наличии в системе шумов.

На рис. 71 поясняется принцип формирования детекторной характеристики частотного дискриминатора на расстроенных контурах.

Важнейшим параметром характеристики реального частотного детектора, помимо крутизны детекторной характеристики Sд при нулевой расстройке частоты (Sд = dŪд(F)/dF |F = 0), является апертура 2Fm. Апертура частотного детектора равна расстоянию по оси расстроек между абсциссами точек максимума и минимума детекторной характеристики и определяет протяжённость её рабочего линейного участка (см. рис. 71).

Связь крутизны Sд и апертуры 2Fm с параметрами детектора определяется соотношением:

Из формул (75) видно, что обеспечение максимальных значений крутизны и апертуры является взаимно противоречивым требованием. Наилучшей характеристика детектора будет при соблюдении следующего соотношения

при этом

Фазовый детектор предназначен для обнаружения текущего фазового рассогласования между входным сигналом детектора uФМ(t) и опорным (эталонным) колебанием u0(t) и преобразования этого рассогласования в пропорциональное значение постоянного напряжения.

Принципиальная электрическая схема векторомерного балансного фазового детектора приведена на рис. 72.

138