4.3. Частотные детекторы с преобразованием частотной модуляции в амплитудную

Преобразование частотной модуляции в амплитудную может быть выполнено с помощью любой линейной электрической цепи, обладающей комплексной, зависящей от частоты, передаточной функцией K(jω). Требуемая зависимость выражена особенно ярко у интегрирующей или дифференцирующей цепи, резонансной избирательной цепи и т. д.

Вызывая изменение амплитуды, зависящее от частоты, линейная цепь с коэффициентом передачи K(jω) и линейной фазочастотной характеристикой не изменяет частоты колебания u_c(t), поэтому на выходе ее получается колебание, изменяющееся одновременно по частоте и по амплитуде. Это обстоятельство не препятствует осуществлению амплитудного детектирования, т.к. для относительно узкополосных сигналов колебание u_вых(t) на выходе амплитудного детектора определяется только амплитудной модуляцией и практически не зависит от изменения частоты колебания.

Рассмотрим преобразование частотной модуляции в амплитудную модуляцию с помощью резонансной избирательной цепи с передаточной функцией резонансного контура

, (4.1)

где ξ – расстройка, ; ω₀ – резонансная частота контура; Q – добротность контура.

Схема частотного детектора на расстроенном контуре приведена на рис. 4.1. Входной высокочастотный сигнал u_c(t) поступает с избирательного контура усилительного каскада усилителя промежуточной частоты, к которому подключен LC-контур частотного детектора. Выход LC-контура соединен с амплитудным детектором, нагрузочной цепью которого является параллельное соединение конденсатора C_н и резистора R_н. К выходу амплитудного детектора подключается входной каскад усилителя низкой частоты.

На рис. 4.2 показано формирование закона изменения амплитуды ЧМ-сигнала при гармонической форме модулирующего сообщения x(t) = cos(Ωt). На этом рисунке U_aМ(t) – закон сопутствующей амплитудной модуляции. Контур LC имеет резонансную частоту ω₀, и расстройка |ω_c – ω₀| выбирается так, чтобы получить максимальную крутизну преобразования. При расстройке, равной , АЧХ цепи имеет близкие к линейному нарастающий и спадающий участки, на которых выбирается рабочая точка.

На практике частотные детекторы такого типа обычно реализуются на транзисторном избирательном усилителе с включением контура в коллекторную цепь. В этом случае комплексный коэффициент передачи принимает вид

, (4.2)

где K_u – коэффициент усиления по напряжению транзисторного каскада; ξ _экв – обобщенная расстройка, ; Q_{экв –} эквивалентная добротность контура с учетом влияния сопротивления и емкости нагрузки.

В предположении линейности амплитудного детектора постоянная составляющая напряжения на его выходе будет равна

. (4.3)

Уравнение (4.3) описывает детекторную характеристику, которая по форме повторяет амплитудно-частотную характеристику резонансного усилителя. Крутизна детекторной характеристики в координатах U₌, _экв изменяется по закону

(4.4)

и имеет максимальное значение при расстройке .

Достоинством частотных детекторов с одиночным расстроенным контуром является простота реализации схемы и ее настройки. К недостаткам относится высокий уровень нелинейных искажений, обусловленных нелинейностью АЧХ резонансного усилителя.

Значительное уменьшение уровня нелинейных искажений может быть получено при использовании балансного частотного детектора с двумя расстроенными контурами (рис. 4.3).

Резонансные частоты и контуров L1C1 и L2C2 выбираются симметрично относительно средней частоты ω₀, а постоянные составляющие напряжений на выходах амплитудных детекторов, подключенных к этим контурам, обеспечивают выходное напряжение как разность:

.

В предположении равенства резонансных сопротивлений контуров и при одинаковых коэффициентах передачи амплитудных детекторов получим следующее уравнение детекторной характеристики:

, (4.5)

где Q_экв; и – резонансные частоты контуров L1C1 и L2C2.

Крутизна детекторной характеристики (рис. 4.4) при   0 равна

. (4.6)

Анализ выражения (4.6) показывает, что максимальное значение крутизны достигается при значении . однако наименьшая степень нелинейных искажений в диапазоне от до возможна при значении .

Так как величина U₌ зависит от уровня входного сигнала U_c, перед частотным детектором необходим амплитудный ограничитель, устраняющий влияние изменений амплитуды U_c на уровень выходного напряжения.