книги / Основы радиоэлектроники
..pdfсать в виде и= t/m(cosco/--cos0), подставить это выражение на пряжения в соотношения 7.1 для тока и найти постоянную со ставляющую тока
10 |
С7/ |
(sin 0- 0 cos 0). |
/н = - J/ (ю0 ^(соо = — |
||
я о |
я |
|
Умножив /„ на R, получим |
|
|
|
CD |
0cos0). |
|
*/- = — t/*(Sin0- |
|
|
К |
|
Учитывая (7.2), получаем tg 0—Q= n/SR. Отсюда следует важ ный вывод: 0— не зависит от амплитуды сигнала Umи напряже ния UH, т. е. имеет место линейная зависимость тока /„ и напряже ния на нагрузке £/„ от амплитуды входного сигнала. Иначе
говоря, |
характеристика детектора сильных сигналов линейна. |
В этом |
смысле этот детектор называется линейным, хотя он |
и содержит нелинейный элемент— диод или транзистор. Если Um= Um0( \ -fwcosQ/), имеем £/„= £/mOcos0(l +mcosSlt), а ам плитуда переменной составляющей на сопротивлении R равна Un = UmQcos 0ш. Следовательно, коэффициент передачи такого
детектора равен Ад = U° =cos0. Обычно Ад* 0,7 н-0,8. ">t/m0
В ряде случаев представляет интерес входное сопротивление детектора на частоте сигнала. Входное сопротивление линейного детектора можно найти из энергетических соображений, пред
положив, что вся мощность высокочастотных колебаний Рвч= ^ -
выделяется после детектирования на сопротивлении нагрузки
ui_ .t/и2
2
Отсюда
Искажения в линейном детекторе ма лы, пока амплитуда сигнала Um не па
дает ниже |
некоторого значения Um = |
= 0,05+0,1 |
В. |
Конечная скорость зарядки и разрядки RC цепи на выходе |
|
детектора |
(инерционность нагрузки) также может приводить |
к искажению формы (нелинейным искажениям) продетектированного сигнала UBblx(t) (рис. 7.25). Чтобы их не было, необходимо
выполнение условия QmaxA C <x/ l —/и2/т , где т — глубина моду ляции сигнала. Это условие является более жестким, чем рас-
|
|
|
s= |
1м |
|
|
|
|
Z1 |
4 |
|
|
Рис. 7.26 a |
|
|
|
|
|
смотренное ранее условие отсутст |
||||
|
вия |
частотных |
искажений |
Q тах |
|
|
R C « |
1. |
|
|
|
|
|
В простейших схемах продетек- |
|||
|
тированное напряжение через раз |
||||
|
делительный конденсатор Ср пода |
||||
|
ется на вход следующего каскада |
||||
|
со |
входным сопротивлением |
R BX |
||
Рис. 7.266 |
(рис. 7.26а). |
R сопротивления |
|||
|
При |
R BX« |
|||
нагрузки детектора по постоянному току R= и по переменному |
|||||
R R
току R^ = — — оказываются существенно различными, потому Л+Л.„
при больших m ^ m Kp = R^/R= амплитуда переменной составля ющей тока I^~ m U m]R^ оказывается больше постоянной состав ляющей /= ~ Um R и возникают нелинейные искажения, т. к. в те чение части периода tx—12 диод оказывается закрытым. Ослабле
ние влияния |
R BX удается |
достигнуть разделением нагрузки |
детектора (рис. 7.266). |
и в этом случае нелинейные искаже |
|
При Ri « |
R BXR= |
|
ния не возникают даже при больших т.
Такой детектор называют детектором с разделенной на грузкой.
В детекторах на транзисторах одновременно с детектировани ем происходит усиление сигнала. На рис. 7.27а приведена схема
|
детектора на |
полевом транзис |
||
|
торе с нагрузкой R„C„ в цепи |
|||
|
стока (стоковый детектор). Де |
|||
|
тектирование происходит благо |
|||
ujt) |
даря |
нелинейной зависимости |
||
тока стока от напряжения на за |
||||
|
творе. |
Напряжение |
смешения |
|
|
выбирается близким |
напряже |
||
|
нию отсечки. При подаче на |
|||
|
вход AM сигнала в цепи стока |
|||
|
появляются импульсы тока, а на |
|||
|
сопротивлении |
R H появляется |
||
Рис. 7.276 |
Рис. 7.28 |
низкочастотное напряжение |
продетектированного сигнала |
(рис. 7.276). |
|
В случае биполярного транзистора в зависимости от включе ния нагрузки R„CHразличают коллекторный (нагрузка включена в цепи коллектора) (рис. 7.28), базовый (нагрузка включена в це пи базы) и эмиттерный (нагрузка включена в цепи эмиттера) детекторы. Для детектирования используются нелинейности то ков коллектора iK= fi(u63), базы /6= /2(мбэ) и эмиттера /э= /3(мб5).
|
|
|
Т абл и ц а 7-1 |
|
Сопоставление характеристик детекторов AM колебаний |
||||
|
|
/ |
|
|
Тип детектора |
Коэффициент |
Н елинейные |
А м плитуда |
|
передачи К , |
искажения |
сигнала |
||
|
||||
Диодный, квадра |
|
велики |
мала |
|
тичный |
|
|
|
|
Диодный линейный |
0,7 0,8 |
малы |
UM> 0,1 В |
|
Транзисторный |
>1 |
малы |
£/м>0,1 В |
|
§ 7.4. Детектирование ЧМ колебаний
Детектирование ЧМ колебаний производится в два этапа: сначала они преобразуются в AM колебания, а затем AM колеба ния детектируются амплитудным детектором. В наиболее про стом случае схема детектора ЧМ колебаний приведена на рис. 7.29. Она содержит параллельный контур, резонансная час тота которого о)рез отлична от среднего значения частоты со0 ЧМ колебания, а также амплитудный детектор: диод и цепь RHCH нагрузки. Модуль сопротивления |Z(coJ| параллельного контура зависит от частоты, меняется с частотой, и коэффициент передачи
Rr
четырёхполюсника, образованного сопротивлением Rr и этим контуром
|
|
|
l^Hl |
|
|
ItfJ |
|лг+^И Г |
|
При изменении частоты ЧМ колеба |
||
Рис. 7.29 |
ния меняется напряжение на контуре |
||
I t /в, |
Л |/ ? r + Z (G ))|' Ч М | |
|
|
^ |
|
||
|
при |
постоянной амплитуде С/чм |
|
|
этого колебания (рис. 7.30). На |
||
|
контуре появляется амплитудно- |
||
|
частотно-модулированное коле |
||
|
бание, у которого меняется и ам |
||
|
плитуда и частота. Это амплиту- |
||
|
дно-частотно-модулированное |
||
|
колебание подается на амплитуд |
||
|
ный детектор, |
продетектирован- |
|
|
ное напряжение на выходе кото |
||
|
рого |
определяется амплитудой |
|
|
колебаний на его входе и не зави |
|
сит от частоты этих колебаний. |
|
Чаще применяется симмет |
Рис. 7.30 |
ричная (балансная) схема частот |
|
ного детектора с взаимно рас |
строенными контурами, называемая дискриминатором (рис. 7.31а). Два контура настраиваются на крайние значения частоты подле жащего детектированию ЧМ сигнала. Каждый из контуров пре образует ЧМ в AM, как в случае ЧМ детектора с одиночным контуром: AM колебания детектируются диодами VD1 и VD2 и фильтруются цепями RiC x и R2C2. Низкочастотные напряже ния иг и и2 на. сопротивлениях R t и R2 определяются частотой
-*N-
_ _ VDl
№
и
VD,
-N-
a
высокочастотного колебания (рис. 7.316). Выходной сигнал равен и= и1 — и2. Недостатком этой схемы, как и схемы детек тора ЧМ колебаний с одиноч ным контуром является зави симость выходного напряже ния от изменений амплитуды сигнала, что требует предва рительного ограничения ам плитуды детектируемого ЧМ сигнала дополнительным уст ройством — ограничителем.
От этого недостатка свободна изображенная на рис. 7.32 ши рокоиспользуемая схема балансного детектора ЧМ колебаний со связанными контурами, также называемая дискриминатором.
Контуры |
им Ь2С2 настроены на среднюю частоту принима |
емого ЧМ |
сигнала coo(cOpC3 = cDo), коэффициент взаимной индук |
ции М определяет связь между этими контурами. На контуре LyCi имеется напряжение ии которое через разделительную ем кость Ср подается на дроссель Dp. Под действием напряжения иг в индуктивности протекает ток IL%= Ul/j(oLli отстающий на к/2 по фазе от напряжения Этот ток наводит во втором кон туре ЭДС индукции Ё = —j(pMI^ , под действием которых в кон туре Ь2С2 возникает ток 72 = £,/Z IC, где Z K=j(oLz+ \ /j(oC2 + RK2, RKj— сопротивление потерь контура Ь2С2. Ток /2 совпадает на резонансной частоте с Ё по фазе. Напряжение на индуктивно
сти Ь2 равно ULi =j(dL2i= = — Таким образом,
на резонансной частоте напряжение JJLi отстает по фазе от напря
жения Ui на |
Напряжение на диоде Dx равно |
||||||
а на диоде D2 |
|
2 |
’ |
|
|
ft ft |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
UD - Ь |
+ Т?- |
|
|
|
|
Векторные |
|
диаграммы |
|
напряжений |
|||
Мд, и iiDi приведены на |
рис. 7.33. |
При |
|||||
изменении |
частоты |
появляется |
фазовый |
||||
сдвиг между |
м, и |
При |
увеличении |
||||
частоты сопротивление Z„ контура имеет |
|||||||
индуктивный |
характер, |
и |
uLi |
отстает |
|||
по фазе |
от |
их более |
чем2 на |
л/ 2, |
|||
a \tiD|> |iiD| (рис. 7.34). При уменьшении
Рис. 7.36
|
|
|
частоты сопротивление |
|||
|
|
|
Zx контура имеет |
ем |
||
Рис. 7.34 |
Рис. 7.35 |
костный |
характер, |
и |
||
iiLi отстает по фазе от |
||||||
менее |
чем на л/2, |
|
||||
a |MDJ < |W0 I (рис. 7.35). |
Напряжение |
|||||
на выходе |
детектора |
ывых = и [ - и 2 = {|ii0i | - 1iiDJ) KDy где Кв |
||||
коэффициент передачи амплитудного детектора. Если частота
сигнала юс равна резонансной частоте |
а>ре, контура, \йв | = |wD;| |
|
и напряжение на выходе детектора |
мвых = 0. |
При сос > сорез |
м«ых>0» ПРИ <вс <tope3 мвых<0. Детекторная |
характеристика |
|
мвых(со) приведена на рис. 7.36. |
|
|
§7.5. Преобразование частоты
Ввысококачественных супергетеродинных приемниках для увеличения чувствительности и избирательности приемника ис пользуется преобразование частоты колебаний. При преобразо вании частоты на нелинейный элемент преобразователя— диод или транзистор— подаются два напряжения: модулированного
сигнала uc(/)= LfAM(/)cos[(ocf-|-<p(/)] и местного генератора гар монических колебаний— гетеродина uT(t)= Uurcosa>rt. Рассмот рим преобразование частоты на нелинейном двухполюснике —
диоде с ВАХ i=f(u) = a0 + alu+a2u2. Пусть напряжение на диоде равно
U = Ue{t) + UT{t) + Uo,
где и0— постоянное напряжение. Подставим это напри*61111® в выражение для тока /=/(«)=/[«<,+ Мг(/) + ц,(/)] и получиМ, что под действием общего напряжения протекает ток
i=a0 + al \uc(t) + uT{t) + u0\ + a2[wc(f) + Mr(f) + w0] 2 =
= a0+ aluc(t)+aluI(t)+alu0 + a2ul(t)+a2u2(t) +
+ 2a2ue(t)-ur(t)+a2Uo+ 2a2uc(t)u0 + 2a2ur(t)u0.
Представляет интерес составляющая тока
Ai=2a2uc(t)- t/r(/) = 2a2t/AM(0 c°s(M„cC/ + (p(/))' ^Mrcos(Or(f) =
— а 2 ^ ш { ( ) U M , COS[(^нес |
) /+ ф(/)] + |
+ а 2 ^ А м ( ') ^ г С 0 5 [ ( с о нес |
) * + < р ( 0 ] - |
Первый компонент составляющей тока А/ определяет модулиро ванное колебание на преобразованной частоте сонес + сог, а второй компонент— модулированное колебание на преобразованной час
тоте со„ес —(ог. Изменение во времени амплитуды Я2^ ам^ мг(0 и Фа" зы ср(п преобразованного сигнала соответствует изменению ампли
туды UAM(t) и фазы ф(/) входного сиг нала, т. е. при преобразовании частоты модуляция не искажается. Включив на выходе преобразователя полосовой фильтр с полосой пропускания Асо^Дшс, где Асос — полоса модулированного сиг нала, можно выделить интересующий нас модулированный сигнал на несущей частоте сонес + сог или (oHCC—cor (рис. 7.37). Аналогичным образом осуществляется преобразование частоты в преобразова теле на биполярном транзисторе (рис. 7.38) и на полевом транзисторе.
Если частота гетеродина сог равна частоте сигнала сонес, то А/ содержит низкочастотную составляющую A/j =
= ^2^Mr^AM(0 *COS(Pi(0 - При ампли тудной модуляции
(P!(/) = const, A/ = a2C/Mrf/AM(/)cos<p.
При ер = 0 Ai=a2UMrUA,M(t)— максимально. В этом случае преобразователь работает как детектор AM колебаний и называется синхронным детектором.
Преобразователь частоты при uc(t)<zur(t) часто рассматрива ют как линейную систему с периодически меняющимся парамет ром, в случае диода — с периодически меняющейся проводимо стью. Такой анализ проведен в приложении П.4.
§ 7.6. Умножение частоты и ограничение амплитуды сигналов
Умножение частоты
В ряде случаев несущая частота должна быть в п раз больше частоты низкочастотного задающего генератора (ох. Для получе ния колебания с частотой /Шх надо использовать умножитель частоты. Умножение частоты также осуществляется на нелиней ных элементах — либо на диодах, либо на транзисторах. При
|
|
по.г------ *■ |
подаче |
на |
нелинейным |
||
Ulx=U,cosu, |
Г Г ■ ^ T l j |
• Ueuxf^UiCosnaj |
элемент колебаний напря- |
||||
s |
i L L |
Т ji |
-*• |
жения с большой |
ампли |
||
|
|
|
|
тудой |
1/1щ |
и |
часто |
|
Рис. 7.39 |
|
той соj |
в спектре |
тока, |
||
|
|
|
|
протекающего через этот |
|||
элемент, появляются гармонические составляющие на кратных частотах /KOj (w = 0, 1, 2, 3 ...). Необходимо выделить на нагрузке интересующую нас составляющую на частоте па>х. На выходе умножителя включается полосовой фильтр, как правило, парал лельный контур, настроенный на частоту входного сигнала coi. На выходе включается полосовой фильтр, настроенный на частоту выходного сигнала /KDJ. Схема диодного умножителя приведена на рис. 7.39. В транзисторных умножителях можно получить не только умножение частоты, но и усиление выходного сигнала.
Ограничение амплитуды сигналов
Помехи приводят к паразитной амплитудной модуляции ЧМ
|
сигналов |
(рис. 7.40). |
Чтобы |
изба |
||||
|
виться от влияния помех, ЧМ сигнал |
|||||||
|
с паразитной амплитудной модуля |
|||||||
|
цией пропускают через ограничитель |
|||||||
|
амплитуды, на выходе которого по |
|||||||
|
лучаем ЧМ сигнал с практически по |
|||||||
|
стоянной |
|
амплитудой |
(рис. 7.41). |
||||
|
Ограничитель амплитуды |
содержит |
||||||
|
нелинейный |
элемент |
и |
полосовой |
||||
|
фильтр, как правило, колебательный |
|||||||
|
контур, |
настроенный |
на |
среднюю |
||||
|
частоту принимаемого сигнала. Ам |
|||||||
|
плитудная характеристика ограничи |
|||||||
|
теля— зависимость амплитуды коле |
|||||||
|
баний на выходе от амплитуды на |
|||||||
|
входе— имеет линейный участок ОА |
|||||||
|
и |
рабочий, |
почти |
горизонтальный, |
||||
|
участок АВ (рис. 7.42). Если ампли |
|||||||
|
туда входного сигнала |
превосходит |
||||||
|
м„хт/п> амплитуда выходного сигнала |
|||||||
|
остается |
практически |
постоянной. |
|||||
|
В |
транзисторных |
ограничителях |
|||||
|
(рис. 7.43) транзистор работает при |
|||||||
|
пониженном напряжении на коллек |
|||||||
|
торе. Ограничение |
импульсов |
тока |
|||||
|
происходит из-за отсечки коллектор |
|||||||
|
ного тока при запирающих напряже- |
|||||||
Рис. 7.42 |
ниях на переходе база-эмиттер и из- |
|||||||
Рис. 7.43 Рис. 7.44
за ограничения импульса тока из-за падения напряжения на кол лекторе в период открывания транзистора, когда транзистор пере ходит в режим насыщения.
На рис. 7.44 приведена схема диодного ограничителя. Параллель но к контуру резонансного усилителя подключены два диода с оди наковыми напряжениями задержки £3. Пока напряжение на контуре ик меньше £3, диоды закрыты, как только ик превысит Е3, диоды открываются и шунтируют контур, сопротивление контура и нагруз ки в коллекторе транзистора падает, и напряжение на выходе ивых ме няется в значительно меньших пределах, чем на входе.
§ 7.7. Дифференцирование и интегрирование сигналов
Эти преобразования сигналов применяются в телевизионных приемниках и осуществляются с помощью простейших линейных RC цепей. Рассмотрим дифференцирующую RC цепь, изображен ную на рис. 7.45. Через эту цепь течет ток /(f), и, согласно второму закону Кирхгофа, можно записать
U .x{t) = UC (t) + UR (t).
Кроме того, согласно закону Ома и определению емкости имеем:
uR(t) = Ri(t)y
Пусть величины R и С выбраны так, что uR{t)<s:uc(t).
Тогда |
Uc(tJ |
|
С |
Отсюда
Ug/tJ |
|
и |
|
|
|
И.ых(0 = «1г(0 = Л С ^ , |
|
|
|
т.е. напряжение на выходе пропор |
|
|
|
ционально производной напряжения |
|
|
|
на входе, и с помощью данной цепи |
|
|
|
можно |
осуществить дифференциро |
|
Рис. 7.46 |
вание сигналов. |
|
|
Условие (7.3) выполняется, когда |
||
|
|
||
|
|
dt |
.«■ |
Если un(t) представляет собой трапецеидальный импульс (рис. 7.46) и длительность нарастания и убывания напряжения, т. е. дли
тельность переднего и заднего фронта |
импульса равна Т ь то |
|
duAt) |
= |
Umax |
в течение нарастания напряжения - |
|
|
В этом случае для нормального действия дифференцирующей цепи должно выполняться условие
RC Мтах |
тах> |
~т\ |
|
т.е. RC<^Ti— постоянная времени RC цепи должна быть мень ше длительности фронта импульса. Результат дифференцирова ния такого импульса приведен на рис. 7.47. На рис. 7.48 приведен результат дифференцирования прямоугольного импульса реаль ной дифференцирующей цепью. В этой цепи после окончания прохождения переднего или заднего фронта импульса конечное время происходит разрядка конденсатора.
Рассмотрим теперь интегрирующую цепь, изображенную на рис. 7.49. Через цепь течет ток i (г) и, согласно второму закону Кирхгофа, можно записать
".* (') = “ к+ “<(')• Величины Л и С выберем так, что
ис
Тогда мвх (/)« uR(/) = i(/) R |
|
|
и /(/) = |
Ua*(0 |
(7.4) |
|
R |
|
Р ( 0 Л |
J |
г |
" .ЫХ (/) = " с (0 = ° с - |
= ^ 1 |
".*(') dt, |
Рис. 7.47
О