Основные виды нелинейных преобразований

       Рисунок 3.56 – Схема двухтактного (балансного) фазового детектора 

       На  рисунке 3.57, а построена векторная диаграмма, соответствующая этим выражениям. Напряжения на выходе детекторов: 

                          (3.85) 

Общее выходное напряжение 

       u_вых = u_вых1 - u_вых2 = K_д(U_д1-U_д2).                 (3.86) 

       Рисунок 3.57 – Векторная диаграмма напряжений (а) и зависимости и_вых1, -и_вых2 и и_вых от φ

       Зависимости и_вых1, -и_вых2 и и_вых от φ построены на рисунке 3.57, б. Вблизи φ=90° и 270° характеристика детектирования и_вых(φ) близка к линейной в значительных пределах; при работе на этих участках достигается почти неискаженное детектирование. При φ=90 и 270° и_вых1=и_вых2 и и_вых=0. Поэтому, если эталонное колебание u₁=U_m1 cosω₀t, принимаемый ФМ сигнал должен быть 

       и₂=Usin[ω₀t+φ(t)]. 

       Для детектирования ФМ колебаний с небольшими индексами модуляции пригодны устройства, осуществляющие перемножение входных  сигналов. Так, если и₁=U_m1cosω₀t, и₂=Usin[ω₀t+φ(t)] и и_вых=Аи₁и₂, где А — коэффициент пропорциональности, то и_вых= U_m1U_m2sinφ(t) + U_m1U_m2sin[2ω₀ + φ(t)], низкочастотная компонента выходного напряжения пропорциональна φ(t) при небольших индексах ФМ: М 20-30°, поскольку sinφ(t)≈φ(t). В качестве такого устройства может быть использован кольцевой преобразователь. 

       3.3.6.5 Детектирование ЧМ колебаний 

       На  выходе детектора ЧМ колебаний должно получаться напряжение, пропорциональное отклонение частоты колебаний от среднего значения. Существуют две группы методов решения этой задачи:

       1) ЧМ сигнал преобразуется в AM или ФМ сигнал и затем детектируется амплитудным или фазовым детектором;

       2) ЧМ сигнал преобразуется в последовательность коротких импульсов той же частоты, создающих постоянное напряжение, пропорциональное числу импульсов в единицу времени.

       Рассмотрим  работу детектора, основанного на преобразовании ЧМ в AM с помощью расстроенного колебательного контура (рисунок 3.58). Пусть через контур, настроенный на частоту ω_р, протекает ЧМ ток i_ЧM с постоянной амплитудой I_m и меняющейся частотой ω(t)=ω₀+∆ω(t). На рисунке 3.59 приведены частотная характеристика контура Z_э(ω) и зависимость ω(t). Если частота ω(t) изменяется достаточно медленно, можно в любой момент определять амплитуду напряжения на контуре U_к как произведение амплитуды тока I на величину сопротивления Z_э(ω) для данной мгновенной частоты 

       U_к(ω)=IZ_э(ω). 

       Рисунок 3.58 – Детектор, основанный на преобразовании ЧМ в AM с помощью расстроенного колебательного контура 

       Рисунок 3.59 – Частотная характеристика контура Z_э(ω) и зависимость ω(t)

       Амплитуда U_к будет изменяться приблизительно пропорционально ∆ω(t), если несколько расстроить контур относительно несущей частоты сигнала ω, как показано на рисунке 3.59. Определяем U_к  на рисунке 3.59 методом проекций. Если нанести симметрично вторую огибающую (пунктир) и высокочастотное заполнение, получим форму напряжения u_к(t). Последнее оказывается модулированным одновременно и по амплитуде и по частоте, причем закон изменения U_к(t) примерно такой же, что и ∆ω(t). Для получения низкочастотного сигнала и_вых достаточно u_к(t) подать на линейный амплитудный детектор, как показано на рисунке 3.58.

       Недостаток  схемы заключается в появлении  искажений вследствие нелинейности скатов частотной характеристики контура. На практике для приближения зависимости и_вых(∆ω) к линейной применяют балансную схему (рисунок 3.60, а), называемую дискриминатором с расстроенными контурами; резонансная частота одного из контуров берется больше несущей частоты ω₀ сигнала на δω, второго — меньше на δω. Напряжение на выходе дискриминатора равно разности выходных напряжений линейных амплитудных детекторов и_вых=и_вых1-и_вых2. Напряжения на входах детекторов 

       где — наводимая в контурах ЭДС;

           Z_э=R_э/(l+iQv) — эквивалентные сопротивления контуров;

          ρ=1/ω₀С≈1/ωС можно считать постоянным при изменениях ω в небольших пределах.

       Рисунок 3.60 – Схема дискриминатора с расстроенными контурами

       При одинаковых и ρ напряжение и_вых пропорционально разности модулей эквивалентных сопротивлений контуров: 

и_вых ~ (Z_э1—Z_э2).

       При некоторых δω и добротностях контуров зависимости (Z_э1—Z_э2) и и_вых от ∆ω имеют значительный почти линейный участок (сплошная линия на рисунке 3.60, б), который и используется для детектирования ЧМ колебаний.

       В рассмотренных схемах детекторов, как  и детекторах, основанных на преобразовании ЧМ в ФМ, выходное напряжение зависит не только от величины отклонения частоты ∆ω, но также и от амплитуды входного ЧМ сигнала. Последняя же может меняться, например, из-за воздействия помех, что приводит к искажениям и_вых. Для предотвращения этого ЧМ сигнал перед частотным детектором пропускают через ограничитель амплитуды.

       Наличие индуктивностей в рассмотренных частотных детекторах первой группы затрудняет их реализацию средствами микроэлектроники. Поэтому все большее распространение получают методы детектирования второй труппы. Процессы в них сходны с показанными на рисунке 3.46: ЧМ колебание подвергается двустороннему ограничению, дифференцированию и ограничению по минимуму, в результате чего получается последовательность коротких однополярных импульсов (рисунок 3.48, е) с частотой ω(f), пропускаемых затем через интегрирующее устройство. Выходное напряжение последнего пропорционально среднему значению этой последовательности за некоторый отрезок времени, т. е. ω(t).

       Частотные детекторы могут быть использованы для детектирования широкополосных ФМ колебаний. Для этого выходное напряжение детектора, пропорциональное ∆ω(t)=dφ(t)/dt, нужно пропустить через интегрирующее устройство.