Детектори сигналів із частотною модуляцією (ЧМ)

Детектування ЧС-сигналів може здійснюватися за допомогою описаних вище схем АМ-детекторів після перетворення зміни частоти зміну амплітуди.

Для цього перетворення можуть використовуватися будь-які ланцюги з лінійно змінною АЧХ, наприклад, \(LC\)-контур, засмучений щодо частоти ЧС сигналу так, що середина лівого або правого ската його АЧХ збігається з частотою сигналу, що несе. Спрощена схема та діаграми роботи ЧС-детектора з таким ланцюгом наведені на рис. 3.6-8.

Мал. 3.6-8. Спрощена схема ЧС-детектора з поодиноким контуром (а) та діаграми його роботи (б)

Для поліпшення характеристик детектора замість одиночного контуру може використовуватися збалансована пара (LC)-контурів (рис. 3.6-9). Детектор містить два резонансні контури, два діоди та два фільтри НЧ, виконаних на \(RC\)-ланцюжках. Резонансні контури дещо засмучені щодо несучої частоти ЧС сигналу.

Мал. 3.6-9. Спрощена схема ЧС-детектора з двома контурами (а) та діаграми, що пояснюють його роботу (б)

Зауважимо, що вихідний ЧС-сигнал перед подачею на детектор повинен проходити через двосторонній обмежувач напруги для усунення паразитної амплітудної модуляції, що присутня в ньому через перешкоди і нерівномірність АЧХ каскадів попереднього посилення.

Описані найпростіші рішення ЧМ-детекторів мають обмежене застосування. Ширше відомі т.зв. детектор-дискримінатор і дробовий детектор (детектор відносин), у яких схеми включення вхідних контурів і детектирующих діодів трохи складніше, але забезпечують кращі характеристики.

Приклад схеми частотного детектора-дискримінатора (також його іноді називають диференціальним детектором) наведено на рис. 3.6-10.

Мал. 3.6-10. Схемидетектора-дискримінатора (а) та векторні діаграми, що пояснюють принцип його роботи (б)

У цій схемі є два резонансних індуктивно пов'язаних контуру (L1C1) і (L2C2), які налаштовуються точно на частоту сигналу ПЧ. Напруги, що знімаються з протилежних гілок контуру \(L2C2\), випрямляються на діодах \(VD1\), \(VD2\) і потім подаються на навантаження у вигляді опорів \(R1\), \(R2\) (конденсатори \( C6\), (C7\) шунтують навантаження по радіочастоті, запобігаючи проникненню в наступні каскади радіочастотної складової). При збігу частоти вхідного сигналу \(U_\) з резонансною частотою контуру \(L2C2\) сигнал \(U_2\), що знімається з цього контуру, на 90° випереджає вхідний сигнал (зауважимо, що напруга підводиться в середню точку \(L2\) ) дорівнює \(U_\)). Оскільки випрямлені напруги \(U_\), \(U_\), що діють на резисторах \(R1\), \(R2\), пропорційні напруг \(U_3\), \(U_4\) (рис. 3.6-10б) , то результуюча напруга на виході детектора, що дорівнює різниці \(U_\) - \(U_\), при резонансній частоті дорівнюватиме нулю (\(U_ = U_ - U_ = 0\)). При зміні частоти сигналу буде спостерігатися фазовий зсув між вхідним сигналом і сигналом, що виділяється на контурі (L2C2), відмінний від 90°. Через це випрямлені напруги \(U_\) і \(U_\) виявляться різними і на виході детектора з'явиться сигнал відповідного знака та амплітуди.

Основними властивостями детектора-дискримінатора є:

висока лінійність передавальної характеристики, проте чутливість до амплітудних перешкод дуже висока, тому необхідне застосування обмежувача амплітуди на вході детектора;
обидва контури детектора налаштовуються на частоту вхідного сигналу, що несе;
при рівністі частоти вхідного сигналу частоті налаштування резонанснихконтурів напруга на виході детектора дорівнює нулю.

Ступінь нелінійних спотворень та крутість характеристики детектора визначається фактором зв'язку між контурами. У межах заданої максимальної девіації частоти ЧС сигналу характеристика детектора має бути лінійною. Розширити смугу пропускання (крутість при цьому знижуватиметься) можна, зашунтувавши один або обидва контури резисторами з невеликими опорами, тобто. знизивши добротності контурів.

На низьких частотах (465 кГц і нижче) може застосовуватись простий детектор-дискримінатор, схема якого наведена на рис. 3.6-11.

Мал. 3.6-11. Простий детектор-дискримінатор для низьких частот (465 кГц і менше)

Робота цього детектора відбувається в такий спосіб. Сигнал ПЧ обмежується діодами (VD1), (VD2) і подається на послідовний коливальний контур (L1C3), налаштований точно на проміжну частоту. Напруги, зняті з конденсатора і котушки контуру, випрямляються діодами (VD3), (VD4) і в протифазі складаються на виході. При резонансі ця напруга дорівнює, і вихідна напруга детектора дорівнює нулю. При зміні частоти сигналу співвідношення напруги змінюється. Це призводить до появи вихідної напруги відповідного знака.

У високоякісних зв'язкових приймачах з високим значенням проміжної частоти (понад 5.9 МГц) часто застосовуються кварцові-дискримінатори. Вони замість традиційних (LC)-контурів використовуються кварцові резонатори на відповідні частоти. Це дозволяє досягти високої стабільності та симетричності амплітудно-частотної характеристики детектора. Приклади таких детекторів наведено на рис. 3.6-12 та 3.6-13.

Мал. 3.6-12. ЧС детектор з кварцовим дискримінатором

Мал. 3.6-13. ЧС-детектор здискримінатором на двох кварцях

У схемі детектора на рис. 3.6-12 використовується один кварцовий резонатор (BQ1), через який сигнал ПЧ подається на один з діодів детектора. На інший діод сигнал ПЧ надходить через конденсатор (C1) з ємністю, що дорівнює паралельній ємності кварцу. Продетектована напруга складається в протилежній полярності на виході дискримінатора. На частотах, близьких до частоти послідовного резонансу, опір кварцу мало, і високочастотна напруга на діоді (VD2) більше, ніж на (VD3). На виході при цьому з'являється детектована напруга позитивної полярності. На частотах, близьких до частоти паралельного резонансу, опір кварцу великий і вихідна напруга негативна. Ширина дискримінаційної характеристики детектора відповідає приблизно відстані між частотами послідовного і паралельного резонансів кварцу. Її можна збільшити майже вдвічі, якщо замість конденсатора (C1) включити інший кварц з частотою послідовного резонансу, що дорівнює частоті паралельного резонансу кварцу (BQ1). Подібне рішення реалізовано у схемі на рис. 3.6-13.

Приклад схеми дробового детектора з симетричним заземленням навантаження (резистори \(R5\) і \(R6\)) щодо діодів \(VD1\), \(VD2\) наведено на рис. 3.6-14. Такий детектор часто називають симетричним детектором відносин.

Мал. 3.6-14. Схема дробового ЧС-детектора (детектор відносин)

Напруги \(U_\) і \(U_\) на кожному з діодів детектора є сумою половини напруги \(U_2\) на контурі \(L3C3\) і напруги \(U_1\) на додатковій котушці індуктивності \(L2\) , яка індуктивно пов'язана з котушкою (L1). Відповідним підбором числа витків котушки \(L2\) та зв'язку між контурами \(L1C1\) та(L3C3) можна домогтися практично повного придушення паразитної амплітудної модуляції, що дозволяє використовувати дробові детектори без попереднього обмежувача амплітуди вхідного сигналу. Платою це є деяке зростання нелінійних спотворень проти детекторами, виконаними за схемою дискримінатора. Паралельно навантаженню включений конденсатор (C7) ємністю близько 50 мкФ. Місткість цього конденсатора і опір навантаження вибирають з такого розрахунку, щоб постійна часу \(\tau = C R\) була значно більшою за період найнижчої звукової частоти. Напруга звукової частоти знімається з точки з'єднання конденсаторів (C4) і (C5) і надходить на фільтр верхніх частот на резисторі (R4) і конденсаторі (C8).

Еквівалентні добротності контурів (Q_е) вибираються в межах 50. 75 (на частотах більше 6 МГц). При цьому для гарного придушення амплітудної модуляції та досягнення малих нелінійних спотворень необхідно, щоб конструктивна добротність \(Q_к\) була вдвічі-втричі більша \(Q_е\). Індуктивність обмотки \(L2\) вибирають у межах \( \cdot L1\), а добротність - 40. 60. Коефіцієнти зв'язку між обмотками: \(k_ \approx 40/Q_е\), \(k_ \approx 0,5/ Q_е\).

На рис. 3.6-15. 3.6-18 наводиться кілька конкретних реалізацій діодних ЧС детекторів (детекторів відносин), що застосовуються у побутових та зв'язкових приймачах.

Мал. 3.6-15. Детектор відносин для вузькосмугової ЧС

Мал. 3.6-16. Простий детектор відносин для побутового приймача

Мал. 3.6-17. Детектор відносин для побутового приймача (варіант 2)

Мал. 3.6-18. Детектор відносин для побутових та зв'язкових приймачів