Детектирование частотно – модулированных сигналов

Детектированиепредставляет собой процесс выделения низкочастотных полезных сигналов из АМ или ЧМ колебаний. Устройства для детектирования называют детектором (от лат. detector – обнаружитель) или демодулятором.

Сглаживающийфильтр уменьшает величину пульсаций выпрямленного напряжения и преобразует его в постоянное напряжение. Обычно величина постоянного напряжения изменяется от изменения сопротивления нагрузки, что нежелательно, поэтому к выпрямителю подключают стабилизаторы напряжения.

Выпрямление переменного напряжения можно осуществить с помощью одного диода, тогда такое выпрямление будет однополупериодным, т.к. отрицательную полу-волну синусоидального тока диод не пропускает через сопротивление нагрузки R_Н.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения U_в равна частоте напряжения сети (50Гц).

Достоинством схемы является простота устройства (требуется всего один диод) и высокая надежность (минимум элементов). Недостатком является неэффективность преобразования, так как выпрямленное напряжение снижается до нуля в течение всего отрицательного полупериода.

Применяется схема в маломощных малогабаритных сетевых источниках питания.

Наибольшее распространение имеет схема двухполупериодного выпрямителя, которая выполняется на четырех диодах VД1,VД2, VД3,VД4.

Выпрямленное напряжение U_В также пульсирующие, но частота пульсаций возрастает вдвое, а ток через сопротивление нагрузки протекает теперь в каждый из полупериодов, и эффективность преобразования вдвое выше. Сглаживание пульсаций упрощается, так как выпрямленное напряжение U_В снижается до нуля только на одно мгновение.

Приведенную схему называют мостовой схемой выпрямителя. Диагональ а-в называют диагональю питания, а диагональ с-d – диагональю нагрузки.

8.2. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры преобразуют пульсирующее напряжение (или ток) на выходе выпрямителя в постоянное напряжение (или ток).

Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной, состоящий из конденсатора большой емкости, подключаемой параллельно сопротивлению нагрузки. Процесс сглаживания происходит за счет накопления энергии конденсатором фильтра и медленной разрядкой его через сопротивление нагрузки.

Во время действия импульса U_В напряжение на конденсаторе растете по экспоненте «m-n», а во время спада импульса конденсатор разряжается и отдает энергию в нагрузку, в результате чего напряжение на нем падает (кривая «n-k»). Во время следующего импульса картина повторяется. Так как конденсатор имеет большую емкость, то за время полупериода он успевает разрядиться полностью, и напряжение на нем, а следовательно и нагрузке остается постоянным с некоторыми небольшими колебаниями, которые называют остаточными пульсациями или просто «пульсациями выпрямленного напряжения».

Эффективность работы фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

, (8.1)

где К_{П ВЫХ} и К_{П ВХ} – коэффициенты пульсаций на выходе и входе фильтра, которые определяют по зависимостям

, (8.2)

, (8.3)

где U_вм – амплитуда пульсирующего напряжения;

U₀ – средневыпрямленное напряжение;

U_выхт – амплитуда напряжения на нагрузке;

U_вых0 – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке.

Емкостный фильтр эффективен при малых токах нагрузки, т.е. когда R_Н велико.

Условием выбора емкости конденсатора является соотношение

, Ом, (8.4)

где ω=2πf, f – частота пульсаций, Гц;

С – емкость конденсатора, Ф (фарад).

Применяют емкостные фильтры в маломощных источниках питания при токах нагрузки до 0,5 А.

Индуктивный фильтр. Этот фильтр представляет собой катушку индуктивности, включенную последовательно с нагрузкой (рис.8.5, а).

а б

Рис. 8.5. Схемы индуктивного (а) и г-образного (б) сглаживающих фильтров.

Катушку индуктивности L с сердечником называют дросселем. Его индуктивное сопротивление должен быть значительно (примерно на порядок) больше сопротивления нагрузки R_н, т.е.

X_L =ωL >> R_н , Ом, (8.5).

где ω=2πf – частота пульсаций;

L – индуктивность, Гн.

При большом X_L большая часть пульсаций будет падать на дросселе, а на сопротивлении нагрузки напряжение будет постоянным.

Индуктивные фильтры применяют в источниках питания большой мощности (до нескольких киловатт). Недостатки фильтра – большие габариты и масса дросселя, а также э.д.с. самоиндукции, которая может превысить допустимое обратное напряжение на выпрямительных диодах и вывести их из строя.

Г-образный фильтр. Такой фильтр отличается большей эффективностью, чем индуктивный, что позволяет уменьшить габариты и стоимость дросселя в индуктивном фильтре. Г – образный фильтр состоит из дросселя L и конденсатора С_Ф (рис. 8.5, б).

Параметры дросселя и конденсатора подбирают так, чтобы

X_L >> R_H

X_C << R_H

В этом случае коэффициент сглаживания определяется выражением

q ≈ q_L ^. q_c = ω²LC (8.7)

Применяется в выпрямителях средней мощности (до 1 кВт).

П – образные фильтры. Такие фильтры получают путем последовательного соединения емкостного фильтра с Г – образным. Эффективность П – образных фильтров на порядок выше, чем емкостного или индуктивного фильтра. Распространение получили П – образные LC – фильтры в источниках питания большой и средней мощности (рис. 8.6, а).

а б

Рис. 8.6. Схема П – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтра (б).

В источниках питания малой мощности дроссель L заменяют резистором Rф, так он меньше по габаритам и дешевле. При больших токах нагрузки П – образный RC – фильтр (рис.8.6, б) неэффективен, так как на резисторе Rф получается большое падение напряжения и рассеивается большая мощность.

При повышенных требованиях к снижению уровня пульсаций выпрямленного напряжения применяют многозвенные сглаживающие фильтры, состоящие из 2-х …..3-х Г- образных фильтров.

8.3. Детектирование радиосигналов

Радиосигналы чаще всего представляют собой небольшие напряжения электромагнитных колебаний высоких несущих частот, промодулированных по амплитуде или частоте низкочастотными сигналами сообщений, т.е. амплитудно - модулированные (АМ) или частотно – модулированные (ЧМ) колебаний.

Детектирование АМ – колебаний. При детектировании АМ- колебаний необходимо их так преобразовать, чтобы на выходе детектора получился сигнал сообщений без заметных искажений. Основными параметрами детектора являются коэффициента передачи напряжения К и коэффициент нелинейных искажений, которые определяются выражениями

, (8.8)

,(8.9)

где U_Ω – амплитуда напряжения низкой частоты на выходе детектора;

mU_m – максимальное изменение амплитуды несущих колебаний;

U_2Ω , U_3Ω ….- амплитуды второй, третьей и т.д. гармоник выходного полезного сигнала при гармонической модуляции;

m – коэффициент модуляции.

В схемах детекторов обычно используют полупроводниковые диоды, соединенные с фильтром нижних частот, представляющего собой RC – цепочку из параллельно соединенных резистора R и конденсатора С (рис.8.7.).

Значения параметров фильтра подбирают так, чтобы его граничная частота Ω_гр была не меньше Ω_max, т.е

Рис. 8.7. Схема детектора АМ – колебаний.

> Ω_max,

где

Ω_max – максимальная частота полезного сигнала.

Вольт – амперная характеристика диода при слабых сигналах U_АМ аппроксимируется квадратичным полиномом вида

i = J_AO + au + bu²

где u – напряжение на диоде;

i – ток прямой ветви;

J_AO – постоянная составляющая тока;

а и в – постоянные коэффициенты.

При действии АМ – сигнала вида

U_АМ = U_АМ cos ω₀t =U₀ (1+m cosΩt) cos ω₀t, (8.12)

где Ω – частота полезного сигнала,

ω₀ – частота несущей,

U₀ – амплитуда несущей,

Ток через диод будет иметь вид

. (8.13)

Первое слагаемое в (8.13) – это сигнал сообщения, а второе – это спектральная составляющая высокой частоты, которая вносит нелинейные искажения в полезный сигнал. Для получения сигнала низкой частоты RC – фильтр должен иметь определенное сопротивление для радиочастоты и сигнала низкой частоты: для радиочастот оно должно быть близко к нулю, что выполняется при условии

ω₀СR >>1, или >>R (8.14)

Для звуковых частот сопротивление фильтра должно быть близко к R, что выполняется при

> R.

Таким образом параметры фильтра должны удовлетворять условию

Tω<<RC<T_Ω, (8.16)

где

; - постоянные времени фильтра.

Напряжение на фильтре будет иметь вид

, (8.17)

т.е. амплитуда полезного сигнала пропорциональна , поэтому детектор малых АМ – сигналов называют квадратичным детектором.

Коэффициент передачи его определится

(8.18)

Нелинейные искажения

= (8.19)

Квадратичные детекторы применяются в аппаратуре невысокого класса из-за заметных искажений полезного сигнала.

На практике чаще применяют линейные детектирование ля сильного сигнала, для чего в аппаратуре усиливают принимаемый радиосигнал.

В этом случае кривизной вольт – амперной характеристики диода на начальном участке пренебрегают, и ее представляют в виде прямой линии, т.е. ток через диод линейно зависит от приложенного напряжения (отсюда название – «линейные детектирование»).

Схема линейного детектора представлена на рисунке 8.8. Сигнал U_АМ амплитудно – модулированных колебаний подается на вход детектора, состоящего

U_Ω = U_RH

Рис.8.8. Схема линейного детектора АМ – колебаний

Из диода VD, RC – фильтра нижних частот, сопротивления нагрузки R_H и разделительного конденсатора С_Р. Диод VD проводит ток положительных полуволн несущих колебаний, а RC – фильтр выделяет из них сигнал сообщения низкой частоты. Сопротивление нагрузки R_H является входным сопротивлением следующим за детектором усилителя низкой частоты.

Низкочастотная составляющая тока через диод J_ср равна среднему значению выпрямленного тока за период

(8.20)

Обозначив =0, где- длительность импульса тока (см. рисунок 8.9), и проинтегрировать выражение (8.20), получим

,

где q – проводимость диода.

Подставив значение амплитуды модулированных колебаний Ωt), запишем для J_СР выражение ,

где J₌ - постоянная составляющая выпрямленного тока,

J_Ω – составляющая тока полезного сигнала.

Напряжение на фильтр будет U_СР=J₌^. R+i_ΩR = U₌+u_Ω..

Значения J= и определяются выражениями

J₌=, (8.22)

, (8.23)

тогда (8.24)

При большом сопротивлении нагрузки R_H>>R, полезный сигнал U_R имеет максимальное значение, пропорционален амплитуде несущих колебаний U₀ и не содержит высших гармоник частоты Ω.

Пропорциональность полезного сигнала U_Ω амплитуде U₀ свидетельствует о линейности преобразования.

Как говорилось выше, в частотно – модулированном радиосигнале сигнал сообщения изменяется частоту несущей на величину, пропорциональную величине сигнала сообщений.

Для детектирования ЧМ – колебаний используют два класса детекторов:

один класс работает по принципу преобразования с ЧМ- колебаний в АМ- колебания и последующем детектированием их детекторами АМ – колебаний;

второй класс детекторов (их называют «дискриминатор», «детектор отношений») использует зависимость разности фаз между током и напряжением в колебательном контуре от частоты несущих колебаний.

Детекторы первого класса наиболее просты по устройству и находят преимущественное применение.

Лекция 9