7.5. Параметрические (синхронные) амплитудные детекторы
В синхронных детекторах под действием гетеродина периодически во времени меняется параметр цепи (чаще всего – крутизна преобразовательного элемента). Поскольку к таким устройствам относятся преобразователи частоты (гл.5), то структурная схема параметрического АД совпадает со структурной схемой ПрЧ (рис.5.2). Основное отличие параметрического АД от ПрЧ состоит в том, что частоту гетеродина выбирают равной частоте несущего колебания, т.е. гетеродин должен быть синхронизирован с сигналом: fГ = fС. (В преобразователях частоты всегда выполняется неравенство fГ ≠ fС). Так как частоты несущего колебания и гетеродина равны, такой АД называется синхронным. Структурная схема синхронного детектора показана на рис.7.12.
Рис.7.12. Структурная схема синхронного АД
Принцип работы синхронного АД аналогичен принципу работы ПрЧ. Математический анализ работы показывает, что ток на выходе преобразовательного элемента (смесителя) содержит составляющие различных частот:
fС, 2fС … и составляющую нулевой частоты. Таким образом, в выходном токе смесителя возникают новые частотные составляющие; составляющая с нулевой частотой является полезной, создающей напряжение ЕД на выходе фильтра. Для выделения постоянной составляющей используют фильтр, состоящий из параллельной цепи RНCН. При этом составляющая выходного тока нулевой частоты создаёт на нагрузке RН напряжение
ЕД ≡ UCRН Соs (φГ – φС):
АД создаёт на выходе напряжение в соответствии с законом изменения амплитуды входного сигнала. Кроме того, напряжение ЕД зависит от разности фаз Δφ = φГ – φС, т.е. синхронный детектор реагирует одновременно на два параметра входного сигнала: UС и φС. Для работы такого АД необходимо, чтобы фаза сигнала равнялась фазе гетеродина: φС = φГ; при этом CosΔφ=1, напряжение ЕД максимально. Если φС = φГ ± 90°, то CosΔφ = 0 и ЕД =0. Следовательно, необходима не только синхронность (fГ = fС), но и синфазность (φГ = φС) напряжения гетеродина с напряжением сигнала.
Для реализации синхронности и синфазности гетеродина создаётся специальная цепь синхронизации (рис.7.12), включающая в себя фильтр для выделения несущего колебания UC, которое подводится к фазовому детектору системы АПЧГ.
На рис.7.13 показана структурная схема синхронного детектора, применяемого в телевизионном приёмнике.
Он представляет собой электронную ключевую схему, которая замыкается на время, не превышающее половину периода несущей входного сигнала, синхронного с этим колебанием.
Рис.7.13. Схема пассивного синхронного детектора:
ПФ – полосовой фильтр; УО – усилитель-ограничитель; К – ключ.
На рис.7.14 приведены эпюры сигналов, действующих в схеме синхронного детектора: входного напряжения UВХ, управляющего напряжения UУПР и выходного тока IВЫХ.
а)
б)
в)
Рис.7.14. Эпюры сигналов в синхронном детекторе:
а – входной сигнал с амплитудной модуляцией; б – напряжение управления
ключом; в – выходной ток детектора.
Схема работает следующим образом. Полосовой фильтр (ПФ) выделяет из АМ-сигнала синусоидальное несущее колебание. Усилитель-ограничитель (УО) формирует из него последовательность управляющих прямоугольных импульсов. В результате на выходе ключа получаются однополярные импульсы тока IВЫХ, амплитуда которых пропорциональна амплитуде входного сигнала. Фильтр нижних частот RНCН формирует напряжение UВЫХ, пропорциональное огибающей входного сигнала.
В отличие от детектора огибающей на нелинейных элементах синхронный детектор не обладает свойством амплитудной избирательности, но обладает фазовой избирательностью. Если моменты замыкания (размыкания) ключа не совпадают с моментами перехода через ноль входного сигнала, то импульсы выходного тока становятся разнополярными и выходное напряжение уменьшается. При взаимном сдвиге фаз входного и управляющего напряжений
на 90º средняя составляющая выходного тока становится равной нулю, детектирования не происходит.
Гармонические колебания одинаковой частоты, имеющие взаимный сдвиг по фазе 90º, называются квадратурными колебаниями. Колебания в одинаковой фазе называются синфазными. Синхронный детектор обладает свойством выделять колебание, синфазное с управляющим, и подавлять квадратурное.
Достоинства синхронного детектора:
улучшение соотношения сигнал/шум на выходе;
неискажённое детектирование слабых сигналов;
неискажённое детектирование однополосного АМ-сигнала;
В ТВ-приёмниках синхронный детектор реализуется в виде части интегральной микросхемы обычно совместно с УПЧИ. В качестве полосового фильтра используется внешний колебательный контур, настраиваемый на частоту несущей изображения. Для повышения коэффициента передачи синхронный детектор строится по двухполупериодной схеме. При этом детектируются как положительные, так и отрицательные полупериоды входного сигнала. Огибающие разных знаков поступают на два входа дифференциального усилителя. Выходное напряжение дифференциального усилителя зависит от разности входных сигналов. Если учесть при этом, что на входах дифференциального усилителя действуют разнополярные сигналы, то на выходе его в конечном итоге происходит сложение огибающих.
Кроме пассивного синхронного детектора, в котором управляющее напряжение получается путём усиления и ограничения несущего колебания, используется схема активного синхронного детектора. В этой схеме управляющее напряжение получают от автогенератора, синхронизируемого по фазе несущим колебанием входного сигнала. Электронные ключи могут быть заменены устройствами перемножения входного и управляющего сигналов.
Контрольные вопросы:
Дайте определение амплитудного детектора. Место и назначение детектора в схеме супергетеродинного приёмника.
Начертите схему последовательного амплитудного детектора и объясните назначение элементов схемы.
Начертите схему параллельного амплитудного детектора и объясните назначение элементов схемы.
Поясните с помощью графиков принцип амплитудного детектирования.
В каких случаях применяются схемы последовательного и параллельного детекторов?
Начертите схему транзисторного АД и поясните назначение его элементов. Какими преимуществами перед диодными детекторами обладают транзисторные АД?
Дайте определение пикового детектора и области его применения. Начертите схему пикового детектора, объясните его работу и поясните назначение элементов схемы.
Начертите структурную схему параметрического (синхронного) детектора и поясните принцип его работы. Каковы достоинства синхронного детектора?