Урок 10

 

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

i_д = I₀(е^аи-1),

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:

K_d = U₀ /  U_mm       (13.1)

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

K_d = U₀/U_m. (13.2)

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:

R_вхd = U_вх/ I_вх1           (13.3)

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:

К_ф = U_вхВЧ/U_выхВЧ.        (13.4)

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.