Как работает амплитудный детектор

Амплитудное детектирование

Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочастотного модулированного колебания в напряжение (или ток), которое изменяется по закону модуляции. Этот процесс реализуют устройства, называемые детекторами.

Детектор формирует на выходе сигнал, закон изменения которого повторяет закон изменения передаваемого модулированным колебанием сообщения. В зависимости от вида модуляции, которая используется передающим устройством (амплитудная, частотная или фазовая), в приемном устройстве выполняется амплитудное, частотное или фазовое детектирование. Детектор реализует процесс, обратный процессу модуляции. Поэтому его называют иногда демодулятором.

Функциональное предназначение детектора свидетельствует, что он осуществляет спектральное преобразование входного сигнала. Сущность этого преобразования заключается в том, что входной модулированный сигнал с узкополосным спектром в области высоких частот преобразуется в выходной модулирующий сигнал со спектром в области низких частот. Поэтому процесс детектирования при любом виде модуляции можно реализовать только с помощью нелинейных или параметрических цепей.

Структура детектора в случае использования нелинейного элемента представлена на рис. 8.11

, при амплитудной модуляции;

, при фазовой модуляции;

, при частотной модуляции,

Рис. 8.11. Структурная схема детектора

Нелинейный элемент осуществляет преобразование спектра входного сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет необходимые составляющие спектра модулирующего сигнала.

8.4.2. Амплитудный детектор

Амплитудный детектор формирует сигнал, совпадающий по форме с огибающей входного амплитудно-модулированного колебания. Процесс детектирования будем рассматривать для АМ-сигнала с тональной модуляцией, т.е. для входного сигнала вида

Выходной сигнал детектора должен быть равен

Практическая схема амплитудного детектора приведена на рис. 8.12,а.

Рис. 8.12. Функциональная схема амплитудного детектора и ВАХ диода

В качестве нелинейного элемента используется диод, характеристика которого (рис. 8.12,б) имеет нелинейный (ОА) и линейный (АВ) участки. Фильтром низкой частоты являются параллельно включенные емкость и сопротивление нагрузки детектора. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики фильтра рассмотрены в п. 5.4.

Физические явления в схеме амплитудного детектора поясним, пользуясь схемой детектора (рис. 8.12,а), графиками входного и выходного напряжений (рис. 8.13,а).

Рис. 8.13. Входное и выходное напряжения детектора

Входное напряжение приложено к аноду диода. Напряжение на конденсаторе, которое по существу является выходным напряжением, приложено к катоду диода. Через диод протекает ток в том случае, если напряжение на аноде больше, чем напряжение на катоде.

В интервале времени, когда текущее значение напряжения на входе больше, чем напряжение на конденсаторе (от точки до точки , см. рис.8.13,а), диод открыт, через него протекает ток и конденсатор заряжается этим током (с небольшим отставанием от роста входного напряжения).

В интервале времени, когда текущее значение становится меньше напряжения на конденсаторе (точка , см. рис.8.13,а), потенциал анода диода становится меньше потенциала катода, что приводит к закрытию диода. Конденсатор начинает медленно разряжаться через большое сопротивление фильтра. Процесс разряда продолжается в течение всего времени закрытия диода (до точки ), при этом напряжение на конденсаторе, а значит, и на выходе детектора уменьшается. Начиная с точки , процесс повторяется.

Внутреннее сопротивление открытого диода значительно меньше сопротивления фильтра. Поэтому заряд конденсатора происходит быстрее, чем разряд, и конденсатор заряжается в каждом полупериоде входного напряжения почти до его амплитудного значения. Следовательно, напряжение на конденсаторе, а значит, и выходное напряжение повторяет по форме огибающую входного сигнала с определенным уровнем пульсаций.

Величина пульсаций определяется качеством фильтрации и зависит от постоянной времени фильтра , т.е. от времени заряда и разряда конденсатора. Для того чтобы детектирование осуществлялось с минимальными искажениями, требуется соблюдение определенного условия, связывающего постоянную времени фильтра с периодом несущего колебания и периодом модулирующего сигнала. Это условие имеет вид . При несоблюдении хотя бы одного из этих неравенств напряжение на конденсаторе не совпадает по форме с огибающей входного сигнала (рис. 8.13,б)

В зависимости от амплитуды входного сигнала и вида характеристики нелинейного элемента различают два режима детектирования: квадратичный (режим слабых сигналов) и линейный (режим больших сигналов). В первом режиме работа детектора происходит в пределах нелинейного участка его характеристики, аппроксимируемой полиномом второй степени. Во втором режиме работа детектора происходит на линейном участке характеристики, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию.

а. Квадратичное детектирование

При малом входном сигнале (десятки милливольт) работа детектора происходит в пределах нижнего сгиба вольт-амперной характеристики нелинейного элемента (рис. 8.14,а), которая с достаточной для практики точностью аппроксимируется полиномом второй степени .

Рис. 8.14. Квадратичное (а) и линейное (б) детектирование

Если на вход детектора в этом режиме поступает амплитудно-модулированный сигнал вида , то ток нелинейного элемента равен

Высокочастотные составляющие с частотами и не проходят через низкочастотный фильтр на выходе детектора. Полезная информация содержится в низкочастотной составляющей, равной . Пропорциональность данной составляющей квадрату огибающей амплитудно-модулированного сигнала определило название детектора в этом режиме – квадратичный детектор.

Для АМ-сигнала с тональной модуляцией низкочастотная составляющая спектра тока будет равна.

В полученном выражении спектральные составляющие расположены в порядке возрастания их частот. Среди них имеется составляющая с частотой , которая должна быть выделена низкочастотным фильтром.

Для выделения этой составляющей низкочастотный фильтр должен быть узкополосным. Если же модуляция не тональная, и частота модулирующего сигнала изменяется в пределах от до , то фильтр должен иметь полосу пропускания , т.е. быть полосовым низкочастотным фильтром.

Постоянная составляющая тока отфильтровывается с помощью разделительного конденсатора, включаемого последовательно в цепь после детектора. Составляющая с частотой обусловливает нелинейные искажения полезного сигнала, которые тем больше, чем больше коэффициент модуляции и меньше постоянная времени фильтра.

Степень нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений, который определяется выражением

где – амплитуды гармонических составляющих тока нелинейного элемента.

В рассматриваемом случае .

Следовательно, коэффициент нелинейных искажений квадратичного детектора при детектировании АМ-сигнала с тональной модуляцией зависит от коэффициента модуляции . Для малых коэффициент нелинейных искажений невелик, для он может достичь величины 0,25, что представляет собой значительную величину. Уменьшение глубины модуляции с целью снижения искажений не выгодно с энергетической точки зрения.

При детектировании квадратичным детектором сложного сигнала спектр тока нелинейного элемента будет содержать комбинационные частоты в низкочастотной части спектра, которые будут пропускаться полосовым фильтром низкой частоты. Это приведет к увеличению искажений полезного сигнала.

Таким образом, выходной сигнал детектора при работе в режиме слабых сигналов пропорционален квадрату амплитуды АМ-сигнала. Именно поэтому, а также из-за значительных нелинейных искажений избегают такого режима детектирования в приемных трактах, применяя усиление до детектора.

В случае необходимости детектирования слабых сигналов применяют детекторы, построенные на основе операционных усилителей (ОУ).

Такие детекторы (рис. 8.15,а) выполняют операции детектирования и усиления. Операционный усилитель инвертирует и усиливает входное напряжение. Поэтому во время положительных полупериодов диод открыт, а диод закрыт. Благодаря этому, напряжение , а выходное напряжение усилителя отсутствует, т.е. . Во время отрицательных полупериодов диод закрыт, а диод открыт. При этом выходное напряжение усилителя равно . Оно представляет собой инвертированные и усиленные отрицательные полупериоды входного напряжения (рис. 8.15,б).

Рис. 8.15. Амплитудный детектор на ОУ

Если на вход детектора поступает напряжение АМ-сигнала, то в спектре имеются низкочастотные составляющие, которые обеспечивают формирование на выходе низкочастотного фильтра сигнал , по форме совпадающий с модулирующим сигналом.

б. Линейное детектирование

Нелинейные искажения, свойственные квадратичному детектору, могут быть уменьшены, если детектор будет работать с использованием линейной части характеристики диода. При этом принципиальная схема линейного детектора ничем не отличается от схемы квадратичного детектора. Только амплитуда входного напряжения должна быть такой (порядка 1…1,5 В), чтобы рабочий участок располагался на линейном участке характеристики нелинейного элемента (см. рис. 8.14,б). При этом можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристики диода.

Как видно из рисунка, ток диода представляет собой периодическую последовательность импульсов, модулированных по амплитуде. Напряжение на выходе детектора создается только постоянной составляющей тока, которая в данном случае не будет постоянной в полном смысле этого слова. Она будет изменяться по закону модуляции входного сигнала. Таким образом, выходной сигнала детектора будет равен

Учитывая, что входной АМ-сигнал равен и при условии, что угол отсечки является постоянной величиной (это будет показано ниже), получаем

Таким образом, выходное напряжение детектора в этом режиме линейно зависит от амплитуды входного сигнала, если угол отсечки – постоянная величина. Отсюда и название детектора – линейный детектор.

Покажем, что величина угла отсечки определяется только параметрами детектора и не зависит от амплитуды входного сигнала.

Учитывая (8.2), получаем

В свою очередь, . Отсюда

Приравняв (8.3) и (8.4) и разделив правую и левую часть на , получаем

Крутизна ВАХ диода – это по существу величина, обратная внутреннему сопротивлению открытого диода. Таким образом, данное уравнение позволяет определить графическую зависимость отношения от угла отсечки (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Влияние угла отсечки на выбор сопротивлений и

Из графиков и полученного выражения следует, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала. Его величина определяется только величиной произведения . Чем меньше угол отсечки, тем больше отношение . Данный результат используется для определения параметров фильтра и диода.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Амплитудные детекторы

В процессе детектирования восстанавливается исходная информация, заложенная в высокочастотное колебание в передатчике, т. е. процесс детектирования является обратным процессом по отношению к модуляции, и поэтому вместо терминов «детектор», «детектирование» часто используют термины «демодулятор», «демодуляция». К функции, выполняемой АД, можно подойти с трех точек зрения:

• с математической точки зрения АД преобразует входной АМ-сигнал

в выходной сигнал

где U_c, (о_с, (p_c — амплитуда сигнала при отсутствии передаваемой информации (амплитуда несущей), частота (обычно промежуточная) и начальная фаза сигнала; At/(t) — модулирующая функция, отражающая закон изменения передаваемой информации; К^д — коэффициент передачи детектора;

• • с временной точки зрения АД выделяет огибающую AM-сигнала (рис. 1, а);
• • со спектральной точки зрения АД осуществляет перенос боковых спектральных составляющих в область низких частот (рис. 1, б).

Наиболее важными показателями АД являются:

• коэффициент передачи, который определяется при изменении амплитуды сигнала по гармоническому закону C/_c(t) = = t/_c(l + mcosQt), где т О происходит заряд конденсатора С до максимального напряжения, после чего ключ размыкается и конденсатор разряжается через резистор R с постоянной времени RC до тех пор, пока напряжение на входе не сравняется с напряжением на конденсаторе (рис. 2, г). Выходное напряжение и_вых снимается с конденсатора, его форма отражает закон изменения амплитуды входного напряжения.

При частотном подходе для объяснения принципа работы АД представим AM-сигнал в виде суммы трех составляющих:

где т — коэффициент модуляции.

Если в ПЧ для получения колебаний с разностной частотой используются колебания вспомогательного автогенератора (гетеродина), то в рассматриваемом случае нет такой необходимости, так как эту функцию могут выполнить колебания несущей частоты. Поэтому, подавая AM-сигнал на нелинейный элемент, в результате перемножения колебаний несущей частоты с колебаниями боковых частот выделяются колебания с разностной частотой Q управляющего сигнала.

Определим основные параметры диодного АД (см. рис. 2, а) при следующих условиях:

• характеристика диода VD задана в виде кусочно-линейной функции (см. рис. 2, б): i = Su при и > 0, i = 0 при и 1, однако благодаря отрицательной обратной связи по огибающей обеспечивает:

• • достаточно высокое качество детектирования;
• • высокое входное и низкое выходное сопротивления.

На практике используются эмиттерный или комбинированные способы амплитудного детектирования на транзисторах, кроме того, на базу с помощью резисторного делителя напряжения подается небольшое положительное напряжение, компенсирующее напряжение сдвига вольтамперных характеристик транзистора в начале координат. На рис. 7 приведена схема транзисторного АД, построенная по коллекторно-эмит- терному способу, на рис. 8 — по эмиттерному способу детектирования.

Корреляционные АД. Схемы корреляционных детекторов строятся на основе перемножителей аналоговых сигналов (ПАС). При амплитудном детектировании на оба входа пере- множителя подают АМ-сигнал (1), в результате перемножения на его выходе получают напряжение, пропорциональное второй степени входного напряжения:

где К_м — масштабный коэффициент ПАС; U_c(t) = U_c + AU_c(t);

Для подавления второй гармоники, возникающей при перемножении, на выходе перемножителя включают фильтр нижних частот (ФНЧ), а для получения линейной зависимости между амплитудами входного напряжения и напряжения на выходе АД используют схему извлечения квадратного корня. Рассмотренный вариант схемной реализации корреляционного АД изображен на рис. 9, а. На рис. 9, б приведена схема извлечения квадратного корня, содержащая каскады логарифмирования и антилогарифмирования на операционных усилителях DA₁, DA₂, и включенный между ними резисторный делитель напряжения в два раза.

На рис. 10, а приведен другой вариант схемной реализации корреляционного АД, в котором вместо схемы извлечения квадратного корня использован аналоговый делитель, включенный между перемножителем и ФНЧ.

На один из входов делителя подается напряжение и с выхода перемножителя, на другой — напряжение с выхода АД, последний каскад которого является повторителем напряжения, выполненным на операционном усилителе. На рис. 10, б изображена схема аналогового делителя, отличающаяся от перемножителя (см. рис. 1, параграф 2.2) тем, что вместо сумматора на операционном усилителе DA₃ выполнен вычитатель двух сигналов. Этот вариант схемного решения АД реализуется проще, так как

аналоговые перемножители-делители выполняются в виде интегральных схем.

Когерентные АД. При этом способе амплитудного детектирования необходимо располагать источником опорного напряжения с частотой и фазой, равными частоте и фазе несущего колебания. Практическая реализация таких источников стала возможной благодаря появлению микросхем систем фазовой автоподстройки частоты. Основой для построения когерентных АД служат перемножители аналоговых сигналов (ПАС). В результате перемножения входного АМ-сигнала (1) на опорное напряжение L/_Ocos(co_ct + (р^) при ср_с = 0 напряжение на выходе перемножителя изменяется по следующему закону:

Из выражения (8) следует, что:

• • для подавления второй гармоники на выходе перемножителя достаточно включить RC-фильтр;
• • когерентный АД является линейным детектором.

Когерентный АД может быть выполнен по бесфильтровой

схеме, обеспечивающей подавление второй гармоники несущей частоты (рис. 11).

Таким образом, когерентный АД является частным случаем ПЧ, когда частота и фаза гетеродина равна частоте и фазе несущего колебания. Минимальный входной сигнал определяется собственными шумами, а максимальный — конечной точкой линейного участка характеристики перемножителя (для микросхемы К526ПС1 максимальное напряжение составляет примерно 35 мВ эфф). Когерентные АД имеют линейную детекторную характеристику, у них отсутствует порог при изменении отношения сигнал/шум на входе [22].

АД с выделением огибающей квадратурного сигнала. Все рассмотренные типы АД требуют последетекторной фильтрации побочных спектральных составляющих. На рис. 12 изображен один из возможных вариантов схемы АД, свободный от указанного недостатка.

Амплитудный детектор содержит фазовращатель на -90°, два перемножителя, используемых для возведения входного сигнала во вторую степень, сумматор и схему извлечения квадратного корня.

Другой вариант схемы АД с выделением огибающей квадратурного сигнала приведен на рис. 13. Амплитудный детектор содержит фазовращатель на -90°, аналоговый перемножитель- делитель и два сумматора.

Приведенная схема описывается следующим уравнением:

которое сводится к квадратному уравнению п_вых = и_ВЬ1Х + и 2 и при напряжениях u_BX = [/_C(t)cosco_t.t, и = !7_c(t)sinco_cf имеет решение и_вых = U_c(t). Таким образом, огибающая t/_c(f) АМ-сигна- ла получается в результате решения неявного уравнения (9) с помощью схемы на рис. 6 без использования операции извлечения квадратного корня.

Еще один возможный вариант схемы АД рассматриваемого типа представлен на рис. 14. В состав АД входят дифференциатор, интегратор, квадратор, перемножитель, вычитатель и схема извлечения квадратного корня.

Огибающая AM-сигнала имеет значительно меньшую скорость изменения, чем несущая. Поэтому вторые члены на выходе дифференциатора и интегратора, содержащие производную огибающей H’_c(t), не учитываются.

Как работает амплитудный детектор

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Процесс получения напряжения (тока), изменяющегося по закону модуляции, из модулированного напряжения высокой частоты назы­вается детектированием. В зависимости от вида модуляции: амплитуд­ной, частотной или фазовой, используемой на передающей радиостан­ции, в детекторном каскаде радиоприемника должно осуществляться соответственно амплитудное, частотное или фазовое детектирование.

АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Амплитудные детекторы предназначены для преобразования радио­сигнала, модулированного по амплитуде (АМС), в напряжение, ме­няющееся по закону модуляции. Они применяются как основные детек­торы принимаемого сигнала, а также как детекторы вспомогательных устройств автоматических регулировок усиления и являются состав­ной частью фазовых и частотных детекторов.

Амплитудное детектирование осуществляется в нелинейных систе­мах, которые состоят из резистивного нелинейного элемента, чаще всего полупроводникового или (реже) вакуумного диода и линейной пассивной цепи z, являющейся нагрузкой детектора.

Принцип действия амплитудного детектора.

Представим детектор в виде четырехполюсника (рис. 13.1, а), на входе которого действует высокочастотное амплитудно-модулированное (AM) напряжение Uвx (рис. 13.1, б). В результате детектирования это напряжение на выходе детектора будет представлять собой пульсирующее напряжение, со­держащее постоянную U₀ и переменную U_Fм составляющие (рис. 13.1, в). Форма последней составляющей должна соответствовать форме оги­бающей входного высокочастотного модулированного напряжения. Процесс детектирования сходен с процессом выпрямления, разница лишь в том, что выпрямленное напряжение на выходе детектора должно сохранять закон изменения амплитуды входного сигнала. Модулированное высокочастотное напряжение на входе детектора есть совокупность трех колебаний с частотами f₀, f₀ — F_м и f₀ + F_M. На входе детектора действует спектр частот, границы которого определяются частотами f₀ + F_Mmax и f₀— F_Мmax, при этом ширина полосы частот будет равна двум максимальным частотам модуляции: П = 2F_Mmax.

На выходе детектора, как видно из рис. 13.1, в, оказываются составляющая модулирующего сигнала и постоянная составляющая.

Ширина спектра частот выходного сигнала по сравнению с входным сигналом уменьшается вдвое и равна F_мmax. Такое изменение спектра час­тот на выходе детектора может быть при использовании в качестве детек­тора нелинейной системы, так как линейная система, в которой измене­ние тока в зависимости от изменения напряжения подчинено закону Ома, не способна создавать токи других частот. На рис. 13.2 приведена схема диодного амплитудного детектора, в которой нелинейным элемен­том является полупроводниковый диод Д, а нагрузкой диода — параллельная цепь, состоящая из резистора Rн и конденсатора Сн. Нa нагрузке выделяется напряжение звуковой частоты, подаваемое далее на вход усилителя низкой частоты. Емкость конденсатора Сн выбирают такой, чтобы его сопротивление току промежуточной частоты было во много раз меньше сопротивления нагрузки детек-тора R_H, а его сопротивление току низкой (звуковой) частоты —значительно больше сопротивления резистора Rн.

Полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными имеют большую крутизну прямой ветви вольт-амперной характеристики при малых амплитудах подводимого напряжения. Достоинством таких диодов является отсутствие цепей накала и расход мощности на накал, большой срок службы, небольшие размеры и масса, малая собственная емкость. Но они имеют и некоторые недостатки: наличие обратной проводимости, нестабильность характеристики и разброс параметров для различных экземпляров диодов одного и того же типа. Кроме полупроводниковых и вакуумных диодов в амплитудных детекторах могут применяться транзисторы и электронные лампы. Детекторы с такими приборами более сложны и дороги и, кроме того, создают большие искажения сигнала, хотя некоторые из них в отличие от диод­ных детекторов имеют коэффициент передачи напряжения больше единицы. Поэтому в современных приемниках в основном применяются диодные полупроводниковые детекторы.

Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристи­кой. На рис. 13.3, а показана реальная вольт-амперная характери­стика полупроводникового диода. На начальном участке зависимость

тока диода от приложенного к нему напряжения имеет экспоненциаль­ный характер и достаточно точно описывается уравнением

где I₀ и а — параметры, зависящие от типа диода. При большем токе вольт-амперная характеристика реальных диодов постепенно прибли­жается к линейной. Учет экспоненциального изменения проводимо­сти диода при изменении амплитуды сигнала делает анализ работы детектора очень сложным. Поэтому реальную характеристику диода при входном напряжении, большем 0,2 В, можно заменить идеализи­рованной (рис. 13.3, б) без учета обратного тока, так как у современ­ных полупроводниковых диодов обратная проводимость на 2—3 по­рядка меньше прямой проводимости.

Вначале рассмотрим работу диодного детектора при подаче на его вход смодулированного напряжения высокой (промежуточной) ча­стоты. Входной контур (см. рис. 13.2) L_KC_K настроен на частоту вход­ного сигнала. На зажимах А Б катушки L_CB действует напряжение сигнала высокой частоты. Под действием этого напряжения в цепи диода создаются импульсы тока.

Рассмотрим работу диодного детектора с помощью графиков рис. 13.4, а—г, предполагая, что на входе детектора действует немо-дулированное напряжение, как это показано на рис. 13.4, а.

В промежутки времени от t₁ до t₂ (рис. 13.4, г) ток через диод i_зар заряжает конденсатор С_н, напряжение на котором будет увеличиваться. В следующую часть периода напряжение на аноде диода отрицатель­ное и ток через диод практически прекращается, и конденсатор раз­ряжается (ток i_разр) через резистор R_н. Для детекторов радиосигналов

принимается условие, что RнCн >> Tnp (постоянная времени нагрузки детектора значительно больше периода промежуточной частоты). По­этому напряжение на конденсаторе за время его разряда уменьшится незначительно. За часть следующего полупериода, когда входное напряжение снова положительно, через диод опять течет ток, увели­чивающий напряжение на конденсаторе. Затем напряжение на кон­денсаторе снова несколько уменьшается. В цепи нагрузки существует динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения на конденсаторе оказывается равным его уменьшению. Эти колебания напряжения на нагрузке при выполнении неравенства RнCн >> Тпр оказываются очень малыми. Поэтому в цепи диода течет ток i₀ и на­пряжение на нагрузке R_н будет содержать большую постоянную со­ставляющую U₀ и очень малую переменную составляющую высокой частоты. Постоянное напряжение, как это видно из рис. 13.2, приложено к диоду, при этом на его аноде относительно катода приложено запирающее напряжение. За счет этого ось времени сдвигается влево в область отрицательных значений на величину U₀ (рис. 13.4, а), Если на вход детектора будет подан модулированный сигнал mU_mω то напряжение U₀ будет изменяться в соответствии с законом модуля­ции, т. е. с увеличением амплитуды входного сигнала будет увеличи­ваться по сравнению с U₀, а при уменьшении амплитуды — станет меньше U₀. Так как между напряжениями U₀ и U_m существует линей­ная зависимость, то напряжение U₀ будет изменяться по тому же закону, что и огибающая входного сигнала, так как постоянная со­ставляющая тока диода I₀ будет изменяться по закону модуляции. Этот ток создает на нагрузке R_н падение напряжения, изменяющееся по закону модуляции U_н = U_Cн = U₀ (1 + m cos Ωt).

Основные качественные показатели детектора.

К основным каче­ственным показателям детектора относятся: коэффициент передачи K_d входное сопротивление R_вхd; нелинейные и частотные искажения сигнала К_г, %’, Мв; коэффициент фильтрации К_ф:

При действии на входе детектора немодулированного ВЧ-сигнала коэффициент передачи детектора равен отношению постоянной состав­ляющей на нагрузке детектора к амплитуде ВЧ-сигнала:

Коэффициент передачи детектора желательно иметь как можно больше. У диодных детекторов он меньше единицы и равен 0,3—0,6 в за­висимости от типа детектора и его режима работы.

Входное сопротивление R_вх определяется как отношение амплитуды высокочастотного напряжения (промежуточной частоты) на входе детектора к амплитуде первой гармоники тока, протекающего через диод:

Так как детектор подключается к контуру УПЧ, то для уменьше­ния влияния входного сопротивления детектора на его добротность входное сопротивление детектора должно быть как можно больше.

Нелинейные искажения в детекторе возникают вследствие инерционности процессов в нем, из-за нелинейности детекторной характеристики и за счет влияния разделительного конденсатора на выходе детектора, связывающего его с УНЧ.

Частотные искажения в детекторе обусловливаются емкостью конденсатора нагрузки Сн, включаемого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Частотные искажения происходят в детекторе только в области верхних частот.

Коэффициент фильтрации Кф показывает, во сколько раз ослаб­ляется высокочастотное напряжение на выходе детектора по сравне­нию с напряжением высокой частоты на входе:

Значение К_ф должно быть не менее 5.

Схемы диодных детекторов.

В радиоприемных устройствах при­меняются последовательная и параллельная схемы диодного детек­тора. Схема последовательного детектора (рис. 13.5) применяется

в основных детекторных каскадах приемника. Последователь­ной схема называется потому, что диод Д и нагрузка детектора под­ключены к источнику сигнала последовательно. Сопротивление наг­рузки детектора Rн часто делится на две части — на резисторы R_нl и R_н2. Соответственно делится на две части и емкость нагрузки С_н — конденсатор С_н1 и С_н2. Это делается для уменьшения искажений, вно­симых детекторным каскадом, и улучшения фильтрации переменной составляющей промежуточной частоты. С резистора R_н2, напряжение низкой частоты подается на вход УНЧ. Для того чтобы постоянная составляющая напряжения U_0, выделяющаяся на резисторе R_н2, не подавалась на базу транзистора УНЧ и этим самым не нарушала его режима работы, включается разделительный конденсатор С_Разд, который для переменной составляющей звуковой частоты представляет малое сопротивление.

На рис. 13.6 приведена схема параллельного детектора. Его основ­ное отличие от последовательного заключается в том, что диод и резис­тор нагрузки R_н для токов промежуточной частоты оказываются

включенными параллельно источнику сигнала. Поэтому высокочас­тотное напряжение U_пр оказывается приложенным не только к диоду Д, но и к резистору нагрузки R_н. В результате высокочастотное напряже­ние оказывается приложенным к выходу детектора. Для ослабления этого напряжения применяется фильтр R_фС_ф.

Конденсатор С_н в этой схеме включается последовательно в цепь источника сигнала.

Входное сопротивление параллельного детектора меньше, чем последовательного, за счет того, что нагрузочный резистор R_н для токов промежуточной частоты оказывается как бы включенным параллельно входному сопротивлению последовательного детектора. Принцип дей­ствия параллельного детектора такой же, как и последовательного.

Демодуляторы. 1. Амплитудные детекторы кратко

Привет, Вы узнаете про демодулятор, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое демодулятор, амплитудные детекторы, амплитудный детектор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.

амплитудный детектор ( демодулятор )

При обсуждении видов модуляции принимаемого сигнала, применяющихся в наземных системах мобильной радиосвязи, мы выяснили, что амплитудная модуляция не применяется в системах наземной радиосвязи. Амплитудную модуляцию применяют только в диапазоне частот 118. 136 МГц для связи с самолетами. В цифровых системах наземной мобильной радиосвязи, в том числе и сотовой связи, амплитудные детекторы (демодуляторы) в чистом виде не применяются. Однако, учитывая, что практически все современные виды цифровой модуляции содержат амплитудную составляющую, в видоизмененном виде в цифровом демодуляторе присутствует амплитудный детектор. Причем, если учесть, что индекс этой паразитной модуляции составляет не 30%, как в аналоговой АМ, а достигает 100%, то сложность решаемых задач возрастает на порядок.

Тем не менее для полноты картины рассмотрим схему амплитудного детектора, позволяющего превратить значения амплитуды высокочастотного сигнала в низкочастотные колебания. Первоначально амплитуду высокочастотного колебания выделяли на электронных приборах с нелинейной вольтамперной характеристикой,таких как полупроводниковые диоды и транзисторы. Требующаяся для амплитудного детектирования вольтамперная характеристика (ВАХ) нелинейного элемента приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента, необходимая для детектирования амплитудной модуляции

При прохождении амплитудно-модулированного сигнала через электронный прибор с вольтамперной характерестикой, приведенной на рисунке 1, в выходном токе появляется составляющая, пропорциональная амплитуде входного сигнала. Процесс детектирования на электронном приборе с подобной вольтамперной характеристике поясняется на рисунке 2.

Рисунок 2. Процесс детектирования амплитудно-модулированного сигнала на линейной ВАХ

Реальные вольтамперные характеристики нелинейных элементов (таких как полупроводниковые диоды или транзисторы), применяющихся в амплитудных детекторах, значительно отличаются от требующейся ВАХ. В результате амплитудная характеристика детектора получается существенно нелинейной. У вольтамперных характеристик этих электронных приборов наблюдается ступенька в районе 0,2 . 0,8 В. Наименьшей ступенькой обладают диоды Шоттки и обращенные диоды. Именно такие диоды и применяются в амплитудных демодуляторах. Пример вольтамперной характеристики полупроводникового диода Шоттки приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Пример принципиальной схемы амплитудного детектора, выполненного на полупроводниковом диоде, приведен на рисунке 4. По таким схемам строятся и схемы вольтметров переменного тока.

Рисунок 4. Принципиальная схема амплитудного детектора

В данной схеме присутствует значительное влияние выходной цепи детектора на характеристики детектирования, точка перегиба вольтамперной характеристики не совпадает с нулевым значением напряжения входного сигнала. Все это приводит к тому, что в диодной (или транзисторной) схеме амплитудного детектора при росте глубины модуляции растут нелинейные искажения.

При глубине модуляции m = 0,5 нелинейные искажения достигают 10 %, а приm = 1 — уже 25 %. Такой уровень нелинейных искажений недопустим для современной аппаратуры. График зависимости нелинейных искажений от глубины модуляции в диодном детекторе приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость нелинейных искажений от глубины модуляции в диодном детекторе

В настоящее время в качестве амплитудных детекторов обычно используются синхронные детекторы. Основным узлом синхронного детектора является аналоговый умножитель ( смеситель частот). Для того, чтобы умножитель осуществил перенос спектра сигнала промежуточной частоты на нулевую частоту (осуществил амплитудную демодуляцию сигнала), нужно на второй вход аналогового умножителя подать напряжение промежуточной частоты с фазой, совпадающей с фазой принимаемого сигнала . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Подробно принципы работы синхронного детектора были рассмотрены при обсуждении принципов работы приемника прямого преобразования.

В этой схеме очень важно, чтобы сигнал, поступающий на один из входов умножителя, собранного на транзисторах имел постоянную амплитуду. Только в этом случае сигнал на выходе схемы будет пропорционален амплитуде входного сигнала. Если же амплитуда сигнала на обоих входах умножителя будет изменяться, то мы получим квадратичный амплитудный детектор, сигнал на выходе которого будет пропорционален не амплитуде сигнала, а его мощности.

Для выделения опорного сигнала в современных радиоприемных устройствах применяется усилитель-ограничитель. На выходе усилителя-ограничителя формируется сигнал промежуточной частоты с прямоугольной формой и постоянной амплитудой. Этот сигнал подается на один из входов умножителя сигналов. На второй вход умножителя сигналов подается неограниченный сигнал промежуточной частоты с амплитудной модуляцией. Его уровень поддерживается на постоянном уровне системой автоматической регулировки усиления (АРУ). Структурная схема подобного амплитудного детектора приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Структурная схема амплитудного детектора, выполненного на аналоговом умножителе сигналов

Временные диаграммы сигналов на входах и выходе умножителя сигналов схемы синхронного амплитудного детектора приведены на рисунке 7.

Рисунок 7. Временные диаграммы сигналов на входах и выходе умножителя

Как видно из приведенных временных диаграмм сигналов, искажения на выходе схемы отсутствуют. Пример принципиальной схемы амплитудного демодулятора, выполненного по схеме синхронного детектора, приведен на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема АМ детектора на аналоговом умножителе сигналов

В данной схеме амплитудного детектора на один вход детектора подается усиленный сигнал с амплитудной модуляцией, а на другой вход тот же самый сигнал, но ограниченный по амплитуде. В результате на выходе схемы появляется напряжение модуля входного сигнала (амплитуда входного сигнала).

Подобная схема амплитудных детекторов часто применяется в составе схемы современных радиоприемников. В качестве примера, на рисунке 9 приведена схема включения микросхемы АМ приемника TDA1072.

Рисунок 9. Схема АМ приемника на микросхеме TDA1072

В этой схеме на одном кристалле расположены все рассмотренные ранее блоки радиоприемного устройства. На входе микросхемы сигнал поступает на усилитель радиочастоты, затем он подается на балансный транзисторный смеситель. С выхода балансного смесителя (вывод 1) сигнал через пьезокерамический фильтр промежуточной частоты поступает на вход усилителя промежуточной частоты (выводы 3 и 4), соединенным с балансным амплитудным детектором. После усиления демодулированного сигнала усилителем низкой частоты звуковой сигнал снимается с вывода 6. Для контроля уровня принимаемого сигнала к девятому выводу микросхемы может быть подключен амерметр, который превращается в индикатор уровня при помощи резистора RL9.

Типы Фазовых детекторов

Исключающее ИЛИ

Простейший ФД — логический элемент «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». При подаче на вход этого элемента двух прямоугольных колебаний равных частот с равной скважностью, например, меандры, с нулевым фазовым сдвигом его выходное напряжение равно нулю (логический 0). При ненулевом сдвиге фаз на выходе элемента формируются импульсы, среднее значение которых прямо пропорционально фазовому сдвигу и достигает максимума (на выходе логическая 1) при сдвиге равном <\displaystyle \pi >в случае сигналов со скважностью 2. Фазовый детектор этого типа нечувствителен к знаку разности фаз, поэтому для получения монотонной зависимости выходного сигнала от разности фаз один из сигналов должен иметь начальный фазовый сдвиг, оптимально равный <\displaystyle \pi /2>для меандров. Для усреднения импульсного выходного сигнала на выходе этого фильтра устанавливают фильтр нижних частот (ФНЧ).

Балансный смеситель

Другой тип ФД — это четырехквадрантные перемножители двух входных сигналов, которые часто называют балансными смесителями. На выходе балансного смесителя присутствуют удвоенная частота входных сигналов и постоянная составляющая, пропорциональная разности фаз, что следует из выражения:

Первое слагаемое результата перемножения не зависит от времени, а только от разности фаз, и представляет собой постоянную составляющую на выходе фазового детектора. Второе слагаемое — гармоническое колебание с удвоенной частотой входных сигналов — высокочастотной составляющей. Обычное применения балансного смесителя — в качестве смесителя частот. Если же балансный смеситель предназначен для выделения разности фаз сигналов равных частот, то высокочастотную составляющую отфильтровывают с помощью ФНЧ.

Если разность фаз сигналов невелика, то выходной сигнал фазового детектора приближенно линейно зависит от разности фаз в соответствии с приближенным равенством — ограничения разложения функции синуса в ряд Маклорена <\displaystyle \sin x=x-<\frac ><3!>>+<\frac ><5!>>-<\frac ><7!>>+. > первым членом:

Схемотехнически балансные смесители обычно строятся по схемам кольцевых модуляторов или по схеме ячейки Гилберта.

ФД, срабатывающие по фронтам входных сигналов

ФД этого типа чувствительны к относительному положению фронтов входных сигналов. Например, если сигнал А опережает сигнал Б, то на выходе этого ФД формируются импульсы положительной полярности с длительностью пропорциональной разности фаз и с частотой повторения равной частоте входных сигналов. Если сигнал Б опережает сигнал А, то на выходе формируются импульсы отрицательной полярности. Для получения выходного напряжения, пропорционального разности фаз на выходе ФД применяют ФНЧ.

Применение ФД

Традиционное применение ФД — в следящих системах автоподстройки частоты, где ФД, совместно с генератором переменной частоты, управляемый напряжением (ГУН) включены в контур отрицательной обратной связи. Сигналом задания для этой системы автоматического регулирования является частота входного сигнала, а ФД является сравнивающим устройством. В передаточную функцию ФНЧ, установленном на выходе ФД перед ГУН, дополнительно вводят ноль, для обеспечения запаса устойчивости по фазе. В простейшем случае, если ФНЧ является RC-фильтром НЧ, то ноль в передаточной функции можно получить включив резистор с нужным сопротивлением последовательно с конденсатором фильтра.

Также ФД используются в синтезаторах, умножителях и делителях частот. В этих системах на вход ФД подаются не сами сигналы, а сигналы, полученные в результате умножения, деления, суммирования или вычитания нужных частот.

В радиосвязи ФД применяется в системах автоподстройки частоты гетеродина в супергетеродинных радиоприемников.

В телефонии ФД применяется в устройствах декодирования тонального вызова.

При стабилизации частоты вращения шпинделей и валов на один из входов ФД подается сигнал от опорного генератора, на второй — импульсы от меток частотного датчика оборотов, и выходной сигнал ФД управляет не ГУН, а электрическим приводом вала.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• демодулятор , фазовые детекторы , фазовый детектор , фазовый компаратор ,
• демодулятор , частотный детектор , частотные детекторы ,
• демодулятор , демодуляторы цифровых видов модуляции , демодулятор цифровых видов модуляции , цифровые виды модуляции ,
• Фазовая автоподстройка частоты — система автоматического регулирования, где применяется фазовый детектор .

Надеюсь, эта статья об демодулятор, была вам интересна и не так слона для восприятия как могло показаться, удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое демодулятор, амплитудные детекторы, амплитудный детектор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов