Нелинейные или параметрические цепи.

Детектирование представляет собой процесс, обратный модуляции. При модуляции один из параметров высокочастотного колебания (переносчика) изменяется пропорционально первичному сигналу. Детектирование заключается в восстановлении того первичного сигнала, которым производилась модуляция. Детектирование считается неискаженным, если напряжение на выходе детектора повторяет закон изменения параметра модулированного колебания (амплитуды в случае АМ, частоты в случае ЧМ, фазы в случае ФМ).

Поскольку в спектре модулированного колебания содержатся только высокочастотные компоненты (несущая и боковые частоты), а результатом детектирования является получение низкочастотных колебаний, для детектирования необходимы нелинейные или параметрические цепи.

На рис.1 приведена обобщенная схема детектора, состоящая из двух элементов:

а) нелинейного (НП) или параметрического (ПП) преобразователя, в выходном токе которого при воздействии на вход гармонического напряжения появляется постоянная составляющая ;

б) фильтра нижних частот ФНЧ, предотвращающего прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Величина на выходе должна зависеть:

- в детекторе АМ сигнала от U;

- в детекторе ЧМ сигнала от w;

- в детекторе ФМ сигнала от j.

При подаче на вход модулированного колебания, одни из параметров которого меняется с низкой частотой, постоянная составляющая тока на выходе детектора также будет изменяться с низкой частотой, и это колебание после ФНЧ выделится на выходе детектора. Для неискаженного детектирования необходимо, чтобы компонента тока изменялась пропорционально модулируемому параметру (U, w или j). В связи с этим важнейшими характеристиками детекторов являются характеристики детектирования, под которыми подразумеваются зависимости от U в амплитудных, от w в частотных и от j в фазовых детекторах.

 

12.2 Детектирование АМ -колебаний

В качестве нелинейного элемента в детекторах наиболее часто используется полупроводниковый диод. На рис.2 показана простейшая схема диодного детектора. После нелинейного преобразования сигнал на выходе имеет сложный спектральный состав. Для выделения полезного низкочастотного сигнала последовательно с диодом включена RC- цепь. Для правильной работы схемы сопротивление R и конденсатор С должны удовлетворять следующим условиям:

; (1)

, (2)

где - наивысшая частота в спектре модулирующего колебания.

При выполнении условия (1) высокочастотные компоненты тока почти не создают напряжения на выходе. При выполнении условия (2) сопротивление нагрузки для токов частоты модуляции будет достаточно большим, активным и практически равным R: Z_н » R.

На рис.3а и 3б приведены спектры АМ -сигнала и тока диода. Пунктирная линия на рис.3б изображает зависимость сопротивления нагрузки от частоты . Перемножая амплитуды спектральных компонент на соответствующие значения Z_н, получаем спектр выходного напряжения (рис.3в).

В зависимости от амплитуды входного сигнала детектор может иметь линейную или квадратичную характеристику детектирования. При больших сигналах (U > 0.5¼1 В) диодный детектор имеет линейную характеристику детектирования, при малых сигналах (U < 0.1¼0.2 В) – квадратичную.

Линейный детектор.

Рассмотрим работу детектора при сильном сигнале. В этом случае ВАХ диода аппроксимируется кусочно-линейной зависимостью:

при ; (3)

при ,

где S – крутизна ВАХ диода.

Проанализируем сначала работу детектора в том случае, когда на его вход подается немодулированный сигнал

. (4)

Ток диода, протекая по RC -цепи, будет заряжать емкость С до некоторого напряжения . Это напряжение оказывается приложенным к диоду в обратном направлении. Результирующее напряжение на диоде будет равно . (5)

В те моменты времени, когда результирующее напряжение u_д положительно (т.е. на диоде прямое смещение), через диод будет протекать ток. Емкость С будет заряжаться с постоянной времени , где - внутреннее сопротивление диода. При отрицательном u_д диод запирается, и емкость С разряжается через сопротивление R с постоянной времени . Причем , т.к. в реальных схемах всегда выполняется условие

.

В установившемся режиме напряжение на емкости колеблется относительного некоторого среднего напряжения = , где - постоянная составляющая тока диода.

Изменения напряжений и во времени показаны на рис.4. Там же показаны импульсы тока, протекающего через диод.

За время разряда напряжение на емкости изменяется незначительно, поэтому можно считать, что = .

Таким образом, напряжение на диоде равно:

. (6)

 

Процессы, происходящие в детекторе, иллюстрируются графиками рис.5. Диод работает с отсечкой тока, т.е. ток течет через диод лишь в течение небольшой части периода, которая определяется углом отсечки q. При этом ток имеет вид последовательности импульсов, представляющей собой усеченную синусоиду.

Можно показать, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала, а является величиной постоянной и определяется исключительно параметрами схемы S и R.

Угол отсечки можно определить из выражения (6) как значение , при котором напряжение на диоде u_д равно нулю (или из рис.5):

. (7)

Для косинусоидальных импульсов тока постоянная составляющая связана с амплитудой входного напряжения U соотношением:

. (8)

 

Подставляя это выражение в (7), получаем уравнение, определяющее угол отсечки q:

. (9)

Таким образом, угол отсечки зависит только от параметров схемы.

Из (7) получаем выражение для составляющей тока :

. (10)

Так как угол отсечки q является величиной постоянной, составляющая тока пропорциональна амплитуде входного напряжения U. Таким образом, рассмотренный детектор обладает линейной характеристикойдетектирования.