Сигнални детектори с честотна модулация (FM).

Откриването на FM сигнали може да се извърши с помощта на схемите на AM детектора, описани по-горе, след преобразуване на промяната на честотата в промяна на амплитудата.

За това преобразуване могат да се използват всякакви схеми с линейно променяща се честотна характеристика, например \ (LC \)-верига, разстроена спрямо честотата на FM сигнала, така че средата на левия или десния наклон на нейната честотна характеристика да съвпада с носещата честота на сигнала. Опростена схема и диаграми на работа на FM детектор с такава схема са показани на фиг. 3.6-8.

Фиг. 3.6-8. Опростена схема на FM детектор с единична верига (а) и диаграми на неговата работа (б)

За да се подобри работата на детектора, може да се използва балансирана двойка \(LC\)-вериги вместо една верига (фиг. 3.6-9). Детекторът съдържа две резонансни вериги, два диода и два нискочестотни филтъра, направени на \(RC\)-вериги. Резонансните вериги са донякъде ненастроени по отношение на носещата честота на FM сигнала.

Фиг. 3.6-9. Опростена диаграма на FM детектор с две вериги (a) и диаграми, обясняващи работата му (b)

Обърнете внимание, че оригиналният FM сигнал, преди да бъде подаден към детектора, трябва да премине през двустранен ограничител на напрежението, за да се елиминира присъстващата в него паразитна амплитудна модулация поради действието на шума и неравномерната честотна характеристика на етапите на предварително усилване.

Описаните най-прости решения на FM детектори имат доста ограничено приложение. Така нареченият. дискриминаторният детектор и фракционният детектор (детектор на съотношение), при които превключващите вериги на входните вериги и детектиращите диоди са малко по-сложни, но осигуряват по-добра производителност.

Пример за схема на честотен детектор-дискриминатор (наричан понякога диференциален детектор) е показан на фиг. 3.6-10.

Фиг. 3.6-10. Схемадетектор-дискриминатор (а) и векторни диаграми, обясняващи принципа на неговата работа (б)

В тази верига има две резонансни индуктивно свързани вериги \(L1C1\) и \(L2C2\), които са настроени точно на честотата на IF сигнала. Напреженията, взети от противоположните клонове на веригата \(L2C2\) се коригират върху диодите \(VD1\), \(VD2\) и след това се подават към товара под формата на съпротивления \(R1\), \(R2\) (кондензаторите \(C6\), \(C7\) шунтират RF товара, предотвратявайки проникването на радиочестотния компонент в следващите каскади). Ако честотата на входния сигнал \(U_\) съвпада с резонансната честота на веригата \(L2C2\), сигналът \(U_2\), взет от тази верига, е с 90 ° пред входния сигнал (имайте предвид, че напрежението, подадено към средната точка \(L2\) е \(U_\)). Тъй като изправените напрежения \(U_\), \(U_\), действащи върху резисторите \(R1\), \(R2\), са пропорционални на напреженията \(U_3\), \(U_4\) (фиг. 3.6-10b), резултантното напрежение на изхода на детектора, равно на разликата \(U_\) - \(U_\), при резонансната честота ще бъде равно на нула (\(U_ = U_ - U_ = 0\)). Когато честотата на сигнала се промени, ще се наблюдава фазово изместване между входния сигнал и сигнала, избран на контура \(L2C2\), което е различно от 90 °. Поради това изправените напрежения \(U_\) и \(U_\) ще бъдат различни и на изхода на детектора ще се появи сигнал със съответния знак и амплитуда.

Основните свойства на детектора на дискриминатора са:

висока линейност на предавателната характеристика, но чувствителността към амплитуден шум е много висока, така че е необходимо да се използва ограничител на амплитудата на входа на детектора;
двете вериги на детектора са настроени на носещата честота на входния сигнал;
когато честотата на входния сигнал е равна на честотата на настройка на резонансавериги, напрежението на изхода на детектора е нула.

Степента на нелинейното изкривяване и стръмността на характеристиката на детектора се определя от коефициента на свързване между веригите. В рамките на определеното максимално отклонение на честотата на FM сигнала реакцията на детектора трябва да бъде линейна. Възможно е да се разшири честотната лента (в този случай стръмността ще намалее) чрез шунтиране на една или двете вериги с резистори с малки съпротивления, т.е. намаляване на качествения фактор на веригите.

При ниски честоти (465 kHz и по-ниски) може да се използва прост детектор-дискриминатор, чиято верига е показана на фиг. 3.6-11.

Фиг. 3.6-11. Прост детектор-дискриминатор за ниски честоти (465 kHz и по-малко)

Работата на този детектор е както следва. Сигналът IF е ограничен от диоди \ (VD1 \), \ (VD2 \) и се подава към последователна осцилаторна верига \ (L1C3 \), настроена точно на междинната честота. Напреженията, взети от кондензатора и бобината на веригата, се коригират от диодите \ (VD3 \), \ (VD4 \) и се добавят в противофаза на изхода. При резонанс тези напрежения са равни и изходното напрежение на детектора е нула. Когато честотата на сигнала се промени, съотношението на напрежението се променя. Това води до появата на изходното напрежение на съответния знак.

При висококачествени комуникационни приемници с висока стойност на междинната честота (повече от 5,9 MHz) често се използват кварцови дискриминатори. Вместо традиционните \(LC\)-вериги, те използват кварцови резонатори за съответните честоти. Това дава възможност да се постигне висока стабилност и симетрия на амплитудно-честотната характеристика на детектора. Примери за такива детектори са показани на фиг. 3.6-12 и 3.6-13.

Фиг. 3.6-12. FM детектор с кварцов дискриминатор

Фиг. 3.6-13. FM детектор сдискриминатор на два кварца

Във веригата на детектора на фиг. 3.6‑12 използва един кварцов резонатор \ (BQ1 \), през който IF сигналът се подава към един от диодите на детектора. IF сигналът влиза в другия диод през кондензатора \(C1\) с капацитет, равен на паралелния капацитет на кварца. Засечените напрежения се добавят в противоположна полярност на изхода на дискриминатора. При честоти, близки до серийната резонансна честота, кварцовото съпротивление е малко и високочестотното напрежение на диода \ (VD2 \) е по-голямо от \ (VD3 \). В този случай на изхода се появява откритото напрежение с положителна полярност. При честоти, близки до паралелната резонансна честота, кварцовото съпротивление е високо и изходното напрежение е отрицателно. Широчината на дискриминационната характеристика на детектора приблизително съответства на разстоянието между честотите на серийните и паралелните резонанси на кварца. Тя може да се увеличи почти двойно, ако вместо кондензатора \(C1\) се включи друг кварц с последователна резонансна честота, равна на честотата на паралелния резонанс на кварца\(BQ1\). Подобно решение е реализирано във веригата на фиг. 3.6-13.

Пример за частична детекторна верига със симетрично заземяване на товара (резистори \ (R5 \) и \ (R6 \)) спрямо диоди \ (VD1 \), \ (VD2 \) е показан на фиг. 3.6-14. Такъв детектор също често се нарича детектор на симетрично отношение.

Фиг. 3.6-14. Дробна FM детекторна верига (детектор на съотношение)

Напреженията \(U_\) и \(U_\) на всеки от диодите на детектора са сумата от половината от напрежението \(U_2\) във веригата \(L3C3\) и напрежението \(U_1\) на допълнителния индуктор \(L2\), който е индуктивно свързан към намотката \(L1\). Чрез подходящ избор на броя навивки на бобината \ (L2 \) и връзката между веригите \ (L1C1 \) и\(L3C3\) е възможно да се постигне почти пълно потискане на паразитната амплитудна модулация, което позволява използването на частични детектори без предварителен ограничител на амплитудата на входния сигнал. Цената за това е известно увеличение на нелинейните изкривявания в сравнение с детекторите, направени по схемата на дискриминатора. Паралелно с товара е свързан кондензатор \ (C7 \) с капацитет около 50 микрофарада. Капацитетът на този кондензатор и съпротивлението на натоварване са избрани така, че времевата константа \(\tau \u003d C R\) е значително по-голяма от периода на най-ниската аудио честота. Напрежението на аудио честотата се отстранява от точката на свързване на кондензаторите \ (C4 \) и \ (C5 \) и влиза във високочестотния филтър на резистора \ (R4 \) и кондензатора \ (C8 \).

Еквивалентните качествени фактори на веригите \(Q_e\) са избрани в рамките на 50.75 (при честоти над 6 MHz). В този случай за добро потискане на амплитудната модулация и постигане на малки нелинейни изкривявания е необходимо конструктивният качествен фактор \(Q_k\) да бъде два до три пъти по-голям от \(Q_e\). Индуктивността на намотката \(L2\) се избира в рамките на \(\cdot L1\), а качественият фактор е 40,60.

На фиг. 3.6-15. 3.6-18 показва няколко конкретни изпълнения на диодни FM детектори (детектори за съотношение), използвани в потребителски и комуникационни приемници.

Фиг. 3.6-15. Теснолентов FM детектор за съотношение

Фиг. 3.6-16. Прост детектор на съотношение за домашен приемник

Фиг. 3.6-17. Детектор за връзка за потребителски приемник (опция 2)

Фиг. 3.6-18. Детектор за връзка за домашни и комуникационни приемници