Тема 9. Перетворення сигналів в нелінійних електронних колах

4.5. Частотні і фазові детектори

                Математична модель коливань із кутовою модуляцією має такий узагальнений вигляд:

                                                             (5.40)

де  –  повна фаза, яку при частотній модуляції описуємо виразом (1.49), а при фазовій – виразом (1.51).

                Із (5.40) випливає, що ЧМ- та ФМ-сигнали мають незмінну амплітуду А_m, тому вони не можуть бути продетектовані за допомогою амплітудних детекторів, оскільки вихідна напруга таких детекторів залежить лише від амплітуди модульованих сигналів.

                Вихідна напруга частотного детектора повинна відтворити закон зміни частоти ЧМ-сигналу стосовно частоти несучого коливання, тобто вона має бути пропорційна до відхилення миттєвого значення частоти вхідного модульованого сигналу від частоти w₀ несучого коливання.

                Поширений спосіб детектування ЧМ-сигналів полягає у попередньому перетворенні цих сигналів на такі, амплітуда яких змінюється пропорційно до зміни частоти, і подальшому їхньому детектуванні за допомогою амплітудного детектора.

                Перетворення ЧМ-сигналів на сигнали, які змінюють амплітуду одночасно зі зміною частоти, здійснюють за допомогою т.зв. розстроєного коливального кола, використовуючи один із схилів його резонансної характеристики. Резонансна частота  w_р коливального кола відрізняється на деяку величину Dw від частоти w₀ несучого коливання ЧМ-сигналу. У разі подання на це коло коливання несучої частоти на ньому виникає напруга, амплітуда U_mк якої менша від максимально можливої. При відхиленні частоти сигналу від значення w₀ одночасно змінюватиметься і амплітуда U_mк напруги на коливальному колі, як показано на рис.5.30.

 

Рис.5.30. Використання розстроєного коливального кола
для перетворення ЧМ-сигналу на сигнал зі змінною амплітудою

 

                З коливального кола знімають високочастотне коливання, одночасно модульоване за амплітудою та частотою, яке відтак подають на амплітудний детектор. Вихідна напруга детектора відтворює характер зміни амплітуди сигналу, що діє на його вході, і одночасно характер зміни частоти. На рис. 5.31 зображена найпростіша схема частотного детектора, побудованого за описаним принципом.

 

Рис.5.31. Схема частотного детектора з розстроєним коливальним колом

                Елементи L_к і С_к утворюють коливальне коло, резонансна частота якого відрізняється від частоти несучого коливання, а діод VD та елементи R_ф, С_ф – амплітудний детектор, вихідна напруга якого Uвих(t) пропорційна до відхилення частоти вхідного ЧМ-сигналу S_чм(t) від частоти несучого коливання.

                Недоліком цієї схеми є наявність нелінійних спотворень, які виникають внаслідок нелінійності схилів резонансної характеристики коливального кола. На практиці часто використовують дещо складнішу схему, яка складається з двох амплітудних детекторів із розстроєними коливальними колами, одне з яких настроєне на частоту, дещо вищу від частоти несучого коливання, а друге – на нижчу частоту. Така схема забезпечує менші нелінійні спотворення і відома під назвою дискримінатора із розстроєними коливальними колами.

                Відомі інші способи побудови частотних детекторів, проте їх розгляд виходить за межі цього підручника.

                Основною характеристикою частотних детекторів є характеристика детектування, яка відображає залежність вихідної напруги детектора U_вих від миттєвого значення частоти ЧМ-сигналу.

                Один із способів побудови фазових детекторів ФМ-коливань ґрунтується на відомому співвідношенні між повною фазою  та частотою w(t): = . Отже, для детектування ФМ-коливань можна використати частотний детектор, якщо проінтегрувати його вихідну напругу (яка відтворює закон зміни частоти вхідного сигналу). Сказане ілюструє рис. 5.32.

 

Рис.5.32. Детектування ФМ-сигналів за допомогою частотного детектора

 

                Раніше було сказано, що на практиці кутову модуляцію супроводжує паразитна амплітудна модуляція, що може призводити до похибок при детектуванні ЧМ-сигналів. Для усунення таких похибок перед частотними та фазовими детекторами вмикають обмежувач, який забезпечує стабільність амплітуди вхідного модульованого сигналу.