13.6. Детектор частотно-модулированных сигналов

Частотный детектор (ЧД) — это устройство, выходное напряжение которого является функцией частоты входного сигнала. Частотные детекторы используются при радиоприеме ЧМ-сигналов и в устройствах автоматической подстройки частоты в разнообразных радиоэлектронных устройствах.

Основной характеристикой ЧД является его передаточная характеристика, которая показывает зависимость постоянного выходного напряжения Uo от частоты входного сигнала FL Чувствительность частотного детектора определяется крутизной его характеристики

— приращения выходного напряжения и частоты входного сигнала.

Принцип работы большинства ЧД основан на преобразовании частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное с последующим амплитудным детектированием. В качестве преобразователя частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное используется любая линейная система, коэффициент передачи которой зависит от частоты. Поскольку выходное напряжение таких детекторов зависит не только от частоты, но и от амплитуды входного напряжения, их иногда называют также частотно-амплитудными детекторами. Если требуется устранить влияние амплитуды входного напряжения, перед такими детекторами включается амплитудный ограничитель (см. гл. 8).

Наиболее простой схемой ЧД является схема с одиночным контуром на рис. 13.28, а. Она содержит параллельный колебательный контур на элементах L, С, на вход которого через резистор 30 кОм и переключатель Z входной сигнал может подаваться или от функционального генератора (режим измерения АЧХ и ФЧХ) или от источника фазо-модулированных колебаний FM (режим детектирования). Сигнал с выхода колебательного контура через усилитель на OU с коэффициентом усиления 1+R2/R1=2 подается на входы осциллографа и измерителя АЧХ-ФЧХ, а также на вход субблока receiver, на выходе которого формируется модулирующее (низкочастотное) колебание (в данном случае частотой 100 Гц), его можно наблюдать на экране осциллографа после подключения канала В к выходу субблока с помощью переключателя X.

Основная идея схемы преобразовательной части детектора может быть пояснена с помощью АЧХ колебательного контура (рис. 13.28, б). Рабочая точка ЧД может быть выбрана как на правом, так и на левом скате АЧХ контура. Как видно из рис. 13.28, б, левый скат более крутой, поэтому рабочая точка (2,53 кГц), отмеченная визирной линией, выбрана на нем.

Как указывалось в разд. 13.5, модуляция фазы с индексом модуляции Ф=5

вызывает девиацию частоты

Для проверки этих данных обратимся к результатам осциллографических измерений, представленных на рис. 13.29, откуда видно, что максимальное значение частоты составляет 1/[(Т2-Т1)/2]=2/6,73-10-4=2985 Гц, т.е. отклонение от средней частоты составляет 485 Гц, что приблизительно равно расчетному значению DF. Переставив визирные линии на осциллограмме в область минимальной частоты, можно убедиться, что она равна около 2000 Гц, т.е. и в этом случае отклонение близко к расчетному значению DF.

Перейдем к анализу коэффициента передачи детектора. Для этого найдем крутизну левого ската резонансной кривой на рис. 13.28, б в диапазоне частот 2000...2985 Гц. Пользуясь визирной линейкой, находим, что коэффициент передачи на частоте 2000 Гц составляет 0,65, а на частоте 2985 Гц — 1,7, т.е. средняя крутизна резонансной кривой в указанном диапазоне частот составляет 1,05-103-1/Гц. Учитывая, что амплитуда ФМ-сигнала составляет 1 В, эта крутизна в единицах напряжения составит S=1,05-103 В/Гц, т.е. размах (двойная амплитуда) огибающей амплитудно-частотно-модулированного сигнала составит S-2AF=1,05 10-3 985=1,034 В. Рассмотрим результаты моделирования, представленные на рис. 13.30, откуда видно, что удвоенная амплитуда огибающей амплитудно-частотно-модулированного сигнала равна VB2-VB1=1,09163 В, что достаточно близко к расчетному значению.

Недостатком рассмотренного детектора является сравнительно большие нелинейные искажения. Расчеты показывают [56], что коэффициент второй гармоники для этого детектора равен около 19%, а третьей — 3,6%. Для уменьшения нелинейных искажений можно увеличивать затухание контура, однако это приводит к существенному уменьшению крутизны характеристики детектора, т.е. к уменьшению напряжения на его выходе.

Более высокими показателями по нелинейным искажениям обладают балансный детектор с двумя взаимно расстроенными контурами и детектор со связанными контурами, а также так называемый дробный детектор, который отличается от первых двух схемой построения выпрямительной части, обеспечивающей минимальную зависимость выходного сигнала от изменений амплитуды входного [56].

Контрольные вопросы и задания

1. В каких устройствах используются частотные детекторы?

2. Какой основной алгоритм преобразования сигналов используется при построении частотных детекторов?

3. Используя схему ЧД на рис. 13.28, а, выберите его рабочую точку на правом склоне резонансной кривой на рис. 13.28, б. В соответствии с произведенным выбором установите частоту несущей источника ФМ и при индексе модуляции Ф=5 проведите измерения коэффициента передачи.

4. Исследуйте зависимость формы продетектированного сигнала на выходе субблока receiver от индекса модуляции ФМ-колебания в диапазоне Ф=2...7.