Частотный детектор

 

 

 

 

Реферат

 

                 на тему : Частотный детектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             

 

 

              

                                                                   

 

 

 

                                               

                    

                Введение

 

 

 

Частотный детектор используют в радиотехнике. Предназначен для демодуляции воспроизводимого с видеоленты частотно-модулированного сигнала в видеомагнитофоне. Сущность изобретения: улучшение помехозащищенности достигается введением дополнительного биполярного транзистора, коллектор которого соединен с коллекторами первого и второго биполярных транзисторов и нагрузочным резистором, введением резистивного делителя напряжения, смещающего базу третьего транзистора, и введением двух диодов, соединяющих базу этого транзистора с базами первого и второго биполярных транзисторов, а повышение чувствительности достигается введением прямосмещенного диода параллельно база-эмиттерному переходу третьего биполярного транзистора, кроме того, введены четыре транзистора, управляемых входным сигналом и шунтирующих база-эмиттерные переходы первого и второго биполярных транзисторов, благодаря которым дополнительно ослабляется прохождение на выход частотного детектора несущей.

Изобретение относится к области радиотехники, предназначено для демодуляции воспроизводимого с видеоленты частотно-модулированного сигнала в видеомагнитофоне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                 Частотный детектор

 

В спектре частотно-модулированного сигнала (ЧМС) нет составляющей с частотой модуляции, и поэтому частотный детектор, так же как и амплитудный, должен обладать нелинейными свойствами и обес­печивать преобразование ЧМС в напряжение, изменяющееся по зако­ну модуляции. Простейшим детек­тором ЧМС может служить детек­торный каскад АМС, входной ко­лебательный контур которого рас­строен относительно немодулированного сигнала промежуточной частоты f0.

На рис. 13.17 показана резо­нансная характеристика 1 входно­го контура детектора, имеющего резонансную частоту fр.

                             

                  

Входной  контур детектора на­страивается   так,    чтобы   частота сигнала f0 соответствовала середине одной из боковых ветвей резонансной характеристики,  а изменение частоты сигнала находилась в пределах этой боковой ветви.

Пусть частота f0 соответствует точке О на характеристике. В этом случае при постоянной амплитуде ЧМС с ростом промежуточной час­тоты будет увеличиваться амплитуда напряжения на контуре. При по­нижении частоты амплитуда напряжения на контуре уменьшается.

При расстройке колебательного контура относительно немодули-рованной промежуточной частоты f0 закон изменения амплитуды на контуре с некоторой погрешностью повторяет закон частотной моду­ляции сигнала. Если промежуточная частота изменяется во времени по кривой 2, то амплитуда напряжения на контуре UK будет изменяться по кривой 3, близкой к кривой 2.

Подавая такое напряжение на обычный амплитудный детектор, получим на выходе детектора напряжение, изменяющееся по закону, близкому к закону модуляции ЧМС.

Рассмотренное изменение амплитуды сигнала промежуточной час­тоты тем точнее повторяет закон частотной модуляции, чем прямоли­нейней боковая ветвь резонансной характеристики контура, что на­ступает при больших расстройках контура относительно частоты f0. При этом напряжение на контуре оказывается значительно меньше резонансного, что сильно понижает выходное напряжение детектора и, следовательно, его коэффициент передачи.

 

Таким образом, эффективность такого детектора ЧМС низкая, а нелинейные искажения очень велики. Поэтому для детектирования ЧМС применяют специальные частотные детекторы. К ним относятся балансные частотные детекторы со связанными, настроенными на промежуточную час­тоту контурами, балансные с взаимно расстроенными контурами, дробные детекторы и квадратурные детекторы. Так как детекторы с рас­строенными контурами находят в при­емниках меньшее применение, так как они сложнее в устройстве, этот тип де­тектора рассматриваться не будет. Все частотные детекторы содержат преобра­зователь частотной модуляции, преобра­зующий изменение частоты ЧМ-сигнала в пропорциональные изменению частоты изменения амплитуды, и два Аико­вых диодных амплитудных детектора. Для устранения паразитной амплитуд­ной модуляции ЧМ-сигналов в состав преобразователей модуляции вводятся амплитудные ограничители, включаемые до частотного детектора. Амплитудные изменения ЧМ-сигнала обусловливаются Аинием различного вида помех, а также неравномэрностью частотной ха­рактеристики приемника в полосе пропускания ВЧ-тракта, за счет чего сигналы спектра, частота которых мало отличается от несу­щей, Аиеиваются в большей степени, чем сигналы крайних боко­вых частот. В результате ЧМ-сигнал дополнительно модулируется по амплитуде. Для устранения этих амплитудных изменений сигнала применяется ограничительный каскад, в котором используется не­линейность характеристик усилительного прибора, за счет чего проис­ходит ограничение амплитуды, как показано на рис. 13.18, а, б.  На рис. 13.18, а показа­ны частотно-модулированные колебания с амплитудным изменением, а на рис. 13.18, б — те же колебания, амплитуды которых с по­мощью ограничительного каскада ограничены уровнями а—б (а'—б').

Рассмотрим работу балансного детектора со связанными контура­ми, схема которого представлена на рис. 13.19. В детекторе преобразование частотной модуляции осуществляется при помощи двухконтурного полосового фильтра (L1C1 и L2C2), настроенного на промежу­точную частоту. Первый контур включен в выходную цепь транзис­тора Т1 работающего в режиме амплитудного ограничения, и связан со средней точкой второго контура сравнительно большой емкостью С.

Дроссель высокой частоты Др применяется для того, чтобы сравни­тельно большая емкость С не подключалась к первому контуру через емкость С2 и не вызывала его расстройку. Индуктивность должна превышать в 10—20 раз индуктивность контура. Конденсаторы С1 и С2, выбираются так же, как во всех амплитудных детекторах, чтобы обес­печить отсутствие нелинейных искажений за счет инерционности нагрузки.

Рассмотрим работу детектора в двух случаях: принимаемый сигнал не модулирован и, следовательно, ∆f=0, принимаемый сигнал про-модулирован, т. е. ∆f≠0. В последнем случае при уменьшении часто­ты принимаемого сигнала ∆f < 0, а при увеличении ∆f > 0.

В первом случае, когда ∆f = 0, к диоду Д1 прикладывается напря­жение Uд1, представляющее собой векторную сумму напряжений на первом контуре Um1 и верхней половине второго контура Um2/2. Ана­логично, напряжение, прикладываемое к диоду Д2, представляет собой векторную сумму напряжений на первом контуре и напряжения на половине второго контура. Для того чтобы выяснить закон изменения этих напряжений, построим векторные диаграммы (рис. 13.20, а—в). Для удобства построения предположим, что активные сопротивления потерь контура малы. Напряжение на первом контуре Uml создает в катушке этого контура ток IL1, отстающий от напряжения Uml на 90°. Этот ток в катушке второго контура наводит э. д. с. Е2, отстаю­щую по фазе от этого тока на 90°. Если промежуточная частота прием­А совпадает с частотой настройки контуров, то ток во втором кон­туре и его катушке L2, создающейся за счет э. д. с. Е2, будет совпадать по фазе с этой э. д. с. За счет протекания этого тока на катушке вто­рого контура, а следовательно, и на втором контуре будет действовать напряжение Um2, опережающее ток на 90°. Напряжение на втором контуре Um2 отстает по фазе от напряжения на первом контуре Um1 на 90°. Напряжение, подводимое к диоду Д1 равно геометрической сумме этих напряжений, как это показано на векторной диаграмме рис. 13.20, а. Напряжение, подводимое к диоду Д2, находится таким же образом, но располагается в левой ветви векторной диаграммы, поскольку напряжение Um2 в средней точке катушки делится пополам и на векторной диаграмме показано двумя векторами Um2/2, сдвину­тыми относительно друг друга на 180°.

Таким образом, при отсутствии модуляции, когда ∆f = 0, на диоды Д1 и Д2 подаются равные напряжения Uд1 и Uд2 и в цепях дио­дов Аиеекают равные токи, направление которых показано в схеме рис. 13.19. Цепь постоянного тока для диода Д1 замыкается через его нагрузку резистор Rн дроссель Др и верхнюю половину катушки вто­рого контура. Цепь постоянного тока диода Д2 замыкается через его

нагрузку резистора R2, дроссель Др и нижнюю половину катушки второго контура.

На резисторах R1 и R2 при равенстве их сопротив­лений создаются равные, но противоположные по знаку напряжения U1 и U2, в результате чего напряжение между точками А и Б, а следо­вательно, и выходное напряжение детектора равны нулю.

При приеме модулированного сигнала, как было сказано, ∆f≠0. При уменьшении частоты принимаемого сигнала ∆f < 0, а при увели­чении ∆f> 0. Предположим, что в данный момент частота принимае­мого сигнала уменьшается, тогда второй контур, являющийся после­довательным к э. д. с. Е2, для тока IL2 имеет емкостный характер и, следовательно, этот ток опережает создающую его э. д. с, но так как напряжение на втором колебательном контуре Um2/2 опережает созда­ющий его ток на 90°, то угол φ между векторами Um1 и правой ветвью Um2/2 уменьшается (φ < 90°), при этом увеличивается напряжение Uд1, действующее на диод Д1 и соответственно уменьшается напряже­ние Uд2, действующее на диод Д2 (рис. 13.20, б). В цепях диодов в этом случае будут протекать неравные токи и напряжение U1 будет больше напряжения U2. Так как результирующее выходное напряжение опре­деляется разностью напряжений U1 и U2, а его полярность — поляр­ностью большего из указанных двух напряжений, то выходное напря­Аие детектора будет положительным. При увеличении частоты сигна­ла ток IL2 будет отставать от Е2 и, следовательно, угол φ увеличится (φ > 90°), как показано на рис. 13.15, в, при этом увеличится напря­Аие, подводимое к диоду Д2 и выходное напряжение детектора ста­нет отрицательным. Величина угла сдвига фаз φ между векторами Um1 и Um2/2 зависит от величины отклонения частоты ∆f. Чем больше ∆f тем больше угол сдвига фаз φ, следовательно, больше разность напря­Аие, приложенных к диодам Д1 и Д2, и, как следствие, больше вы­ходное напряжение детектора. Нетрудно видеть, что выходное напря­Аие детектора изменяется по закону частотной модуляции входного высокочастотного сигнала.

Фильтр RфCф, так же как п в детекторах АМС, служит для фильтра­ции высокочастотного напряжения, но, кроме того, корректирует час­тотную характеристику частотного детектора в зоне верхних частот модуляции с целью компенсации результата специального подъемачастотной характеристики в зоне верхних частот, осуществляемого в передатчиках ЧМ-сигналов.

Качество работы частотного детектора характеризуется формой его ха­рактеристики (рис. 13.21), показываю­щей зависимость выходного напряже­ния детектора Uвыхd от девиации частоты при модуляции на ± ∆fmах. Если изменение частоты на ±Ωfmax на­ходится в пределах полосы пропус­кания контуров П, то выходное на­пряжение детектора изменяется про­порционально изменению частоты входного сигнала, что соответст­вует прямолинейному участку характеристики. В этом случае за­кон модуляции частоты радиосигнала воспроизводится без нели­нейных искажений. Если изменение частоты на ±∆fmах выходит за пределы полосы, то это приводит на крайних частотах модуляции к уменьшению напряжения на выходе детектора (работа на криволи­нейных участках характеристики) и, следовательно, к появлению значительных нелинейных искажений. При девиации частоты ∆fmах = ±50 кГц для высококачественной работы частотного детектора полоса пропускания его контуров должна быть 240—260 кГц.

 

Задача выделения закона изменения частоты из принимаемого сигнала

 

 

Задача выделения закона изменения частоты из принимаемого сигнала встречается очень часто. Эта задача встречается как при приеме сигналов с аналоговыми методами частотной модуляции, так и при приеме сигналов с цифровыми методами модуляции, такими как FFSK или GMSK. Мы даже не задумываемся, слушая FM-радиостанции в салоне автомобиля или на природе, что в портативном или автомобильном радиоприемнике звук выделяется из радиосигнала при помощи частотного детектора. Набирая номер по сотовому телефону, мы тоже используем данное устройство. Поэтому в настоящее время любой специалист, который ищет работу по специальности, связанной с радио должен представлять принципы работы частотного демодулятора. Сейчас частотные детекторы строятся на основе аналоговых умножителей частоты. Сигнал с частотной модуляцией синусоидальным низкочастотным модулирующим сигналом описывается следующим математическим выражением:

 

                                 

                                                       

Прежде чем перейти к конкретным схемам частотных детекторов обратимся к математическому определению понятия частоты:

 

                                                                                             

Из этой формулы видно, что частота и фаза входного колебания жестко связаны друг с другом операцией дифференцирования (интегрирования). Для детектирования частотно-модулированных колебаний можно применить схему фазового детектора, а затем продифференцировать выходное напряжение на дифференцирующей RC-цепочке.

 

          

                            

Структурная схема частотно-фазового детектора, реализованная по описанному выше принципу, приведена на рисунке 1.

                 

Рисунок 1. Структурная схема частотно-фазового детектора

В данной схеме узкополосный контур производит преобразование частотно-модулированного колебания в фазо-модулированное колебание за счет фазо-частотной характеристики узкополосного контура. Воспользовавшись рассмотренной нами раньше принципиальной схемой аналогового умножителя сигналов, получим принципиальную схему частотного детектора.

 

         

 

 

Рисунок 2. Принципиальная схема частотно-фазового детектора

Подобные схемы фазовых детекторов широко используются в технических решениях радиоприемных устройств. В качестве примера на рисунке 3 приведена схема частотно-фазового детектора, реализованного на отечественной микросхеме 174УР3.

 

              

 

 

Рисунок 3. Частотно-фазовый детектор на микросхеме 174УР3