Детектирование сигналов

Вторым важнейшим видом преобразований электрических колебаний в радиотехнических устройствах является процесс детектирования. Принятые высокочастотные колебания, промодулированные по амплитуде, частоте, фазе или имеющие форму импульсов, необходимо преобразовать в радиоприемном устройстве снова в колебания низкой частоты, которые могут быть восприняты человеком или зарегистрированы приборами. Этот процесс преобразования называется детектированием. Как и всякое преобразование колебаний, детектирование возможно только при использовании нелинейного элемента.

Наиболее просто производится детектирование AM колебаний (рис. 7). Если подать высокочастотные колебания, промодулированные по амплитуде, на нелинейный элемент — детектор, обладающий односторонней проводимостью (в качестве такого элемента может быть использован полупроводниковый или электровакуумный диод), то ток в его цели приобретает форму синусоидальных импульсов, амплитуда которых изменяется пропорционально интенсивности звукового сигнала.

Рис.7. Детектирование АМ колебаний:
а – процессы в цепи детектора; б – схема детектора.

Все гармонические составляющие и постоянная составляющая периодической последовательности импульсов, представляющая собой среднее значение тока за период, пропорциональны амплитуде импульсов. Следовательно, постоянная составляющая тока в цепи детектора I_Д изменятся пропорционально напряжению сигнала, промодулировавшего колебания в передатчике. Ее отфильтровывают от высокочастотных составляющих тока с помощью фильтра, обычно состоящего из резистора R и конденсатора С малой емкости. Высокочастотные составляющие тока проходят через конденсатор, не создавая значительного напряжения на нем. Этот конденсатор необходим также для того, чтобы все высокочастотное детектируемое напряжение полностью попадало на диод Д (при отсутствии конденсатора часть этого напряжения падала бы на резисторе R). Звуковая составляющая тока, проходя через резистор R, создает на нем напряжение, которое затем передается в последующую цепь.

Возникновение напряжения звуковой частоты на фильтре можно объяснить и не прибегая к понятию о гармонических составляющих тока. Импульсы тока, проходя через резистор R, создают на нем падение напряжения, которое заряжает конденсатор. За промежуток времени между импульсами конденсатор успевает только частично разрядиться через резистор, вследствие чего в интервале между импульсами напряжение на резисторе не исчезает полностью. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. Таким образом, на конденсаторе создается некоторое усредненное напряжение, которое изменяется пропорционально амплитуде импульсов.

При детектировании ЧМ колебаний можно сначала превратить изменение мгновенной частоты в изменение тока высокочастотных колебаний, т. е. преобразовать ЧМ колебания в AM. Это достигается подачей ЧМ тока в цепь контура с собственной частотой f_ok, расстроенного относительно средней частоты передатчика f_cp (рис. 8). В этом случае изменение частоты передатчика в ту или другую сторону приводит к изменению амплитуды высокочастотных колебаний в контуре, причем ЧМ колебания преобразовываются в AM. Последние же могут быть продетектированы описанным выше способом.

Рис.8. Преобразование ЧМ колебаний в АМ с помощью расстроенного контура

Недостатком данного метода является наличие значительных нелинейных искажений, возникающих вследствие нелинейности резонансной характеристики контура. Кроме того, при описанном выше способе детектирования ЧМ колебаний изменения амплитуды колебаний на входе детектора будут вызывать изменения выходного напряжения. Следовательно, помехи, наводимые в приемной антенне, будут создавать искажения сигнала на выходе. Чтобы исключить это, можно поставить до детектора амплитудный ограничитель, однако это приводит к уменьшению амплитуды сигнала на входе детектора.

На практике широко применяют схемы частотных детекторов (их также называют частотными различителями или дискриминаторами), в значительной мере свободные от отмеченных выше недостатков.

Детектирование ФМ сигналов может быть произведено тем же способом, но в усилителе низкой частоты необходимо ввести частотную коррекцию (построить схему так, чтобы коэффициент усиления был обратно пропорционален частоте), без которой высокие частоты будут воспроизводиться с большей интенсивностью, чем низкие. Детектирование АИМ и ШИМ сигналов осуществляется так же, как обычных AM сигналов. При детектировании колебаний с ФИМ последовательность продетектированных импульсов, следующих один за другим через различные промежутки времени, преобразуют в последовательность импульсов, промодулированных по ширине, и уже из них выделяют напряжение звуковых частот.

Вопрос 4. Усиление сигналов низкой частоты.

При пояснении принципов усиления с помощью ламп или транзисторов были использованы схемы с резистором R_H в роли нагрузки выходной цепи. Резистивные каскады широко применяют для усиления малых сигналов. Рассмотрим работу таких каскадов подробнее. На рис. 9.а дана схема лампового, а на рис. 9.б — транзисторного резистивного каскада (фильтры развязки в обеих схемах представлены лишь конденсаторами С_ф, пропускающими токи сигналов мимо источника питания).

Ламповый каскад предназначен для усиления напряжения сигнала: усиленное напряжение должно воздействовать на вход следующего каскада и управлять его работой (данный каскад имеет лампу Л₁ следующий — лампу Л₂). Об усилении мощности здесь говорить не приходится, так как, во-первых, цепи сеток работают без расхода мощности, а во-вторых, мощность, расходуемая в резисторе R_h, сама по себе не является полезной. Лампа Л1 — пентод, но в резистивном каскаде может применяться и триод. Все детали литания и нагрузки нам уже известны, за исключением конденсатора С_р и резистора Re. Входное напряжение U_m1 подается от генератора сигнала ГС на управляющую сетку лампы Л₁ Усиленное напряжение возникает на резисторе R_н, включенном в анодную цепь лампы Л₁. Но для того чтобы переменное напряжение с резистора R_н воздействовало на управляющую сетку следующей лампы, а постоянное напряжение анодной батареи не попадало в цепь этой сетки, между выходом данного и входом следующего каскада ставится разделительный конденсатор С_р емкостью в десятки тысяч пикофарад. Этот конденсатор должен обладать высоким сопротивлением изоляции для постоянного тока. Наличие разделительного конденсатора делает необходимым включение от сетки на катод резистора Rс: во-первых, через этот резистор подается с нижнего зажима резистора R_K на управляющую сетку лампы Л₂ отрицательное постоянное напряжение смещения; во-вторых, электроны, попадающие с катода лампы Л₂ на ее управляющую сетку и способные образовать на ней отрицательный заряд, который может запереть лампу, стекают через резистор Rс на катод. Поэтому резистор Rс (сопротивлением сотни кОм и больше) называется иногда сопротивлением сеточной утечки (более грубо, просто «утечкой»).

Так составляется схема каскада предварительного усиления (усиления напряжения) на резисторах с применением электронной лампы. Следует еще учесть, что выходные зажимы нашего каскада шунтируются входной емкостью С_вх2 следующего каскада. Обычно эта емкость исчисляется десятками пикофарад (с учетом емкости сетка — катод, емкости между монтажными проводами и емкости деталей на корпус усилителя). К той же емкости С_вх2 следует отнести и выходную емкость лампы Л₁, шунтирующую сопротивление резистора (см. ниже).

Транзисторный каскад собран по схеме с ОЭ на транзисторе Т₁. Он получает от генератора сигнала (ГС) напряжение на базу U_m1. Смещения на базы данного и следующего транзисторов подаются через резисторы R_б.

Рис.9. Резистивные усилительные каскады:
а – ламповый; б – транзисторный.

Нагрузочный резистор R_h включен в цель коллектора, с его зажима снимается переменное выходное напряжение U_m2 через разделительный конденсатор С_р. Полезным потребителем энергии сигнала является входное сопротивление транзистора Т₂ следующего каскада. Здесь можно говорить об усилении напряжения, тока и мощности.

Ручная и автоматическая регулировка усиления,
борьба с помехами радиоприему.

Назначение и основные принципы реализации
автоматической регулировки усиления

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) предназначается для сохранения заданного постоянства выходного напряжения приемника в условиях изменения уровня принимаемых сигналов. Существует два основных типа систем АРУ:

— система АРУ с обратной связью (система регулировки «назад» или обратная регулировка);

— система АРУ без обратной связи (система «вперед» или прямая регулировка).

Возможна также комбинированная схема, сочетающая обратную и прямую регулировки. На рисунке 1 показана структурная схема обратной АРУ. Она обеспечивает уменьшение усиления с увеличением уровня сигнала и увеличение усиления при уменьшении уровня сигнала.

Рис. 1. Структурная схема АРУ с обратной связью (регулировка «назад»)

Сигнал с выхода тракта УПЧ подается на амплитудные детекторы сигнала Д_с и АРУ Д_ару. С детектора АРУ напряжение через фильтр нижних частот подводится к регулируемым каскадам. В случае режимной регулировки управляющее напряжение с детектора АРУ подается на управляющие электроды (в цепи базы, затвора и т. п.) усилительных приборов регулируемых каскадов. Если сигнал на входе приемника имеет нормальную величину, то на управляющих электродах усилительных приборов действует напряжение, соответствующее исходной (нормальной) рабочей точке. Увеличение уровня несущего сигнала приводит к увеличению напряжения на входе детектора АРУ, а следовательно, и к увеличению выпрямленного напряжения. Это напряжение через фильтр подается на управляющие электроды усилительных приборов регулируемых каскадов и снижает их усиление. Основная особенность схемы АРУ с обратной связью невозможность обеспечения полного постоянства выходного напряжения, так как сам процесс регулирования предполагает наличие изменений напряжения сигнала. Можно уменьшить эти изменения до незначительной величины, но полностью устранить нельзя.

Система АРУ с прямым регулированием (рис. 2) характерна тем, что регулируемые каскады находятся после узла, с которого поступает сигнал на детектор АРУ. Если попытаться охватить регулировкой первые каскады приемника, то в цепи АРУ необходимо такое же усиление, что и в основном канале.

Рис. 2. Структурная схема прямой АРУ.

Это сильно усложняет схему приемника. Если же снимать напряжение для АРУ с какого-то промежуточного каскада, то все предыдущие не будут подвергаться регулировке и могут перегружаться. Преимуществом АРУ «вперед» является возможность получить при определенных условиях строгое постоянство выходного напряжения приемника, а при необходимости — даже падение его с ростом входного сигнала. Однако ее очень сложно выполнить как в конструктивном отношении, так и с точки зрения подбора характеристик регулируем элементов, и поэтому в приемниках АРУ «вперед» используется очень редко.

Рассмотрим более подробно различные виды обратной АРУ. Используются простая АРУ, АРУ с задержкой, АРУ с задержкой и усилением.

В простой АРУ напряжение с детектора АРУ, который можно совместить с детектором сигнала, через фильтр НЧ подается на регулируемые каскады при любых, даже самых малых, уровнях входного сигнала. Из сравнения показанных на рис. 3 амплитудных характеристик приемника без АРУ (1) и с простой АРУ (2) видно, что при этой АРУ коэффициент усиления приемника уменьшается не только для больших сигналов, но и для самых маленьких, когда уменьшение усиления не имеет смысла.

Рис.3. Амплитудные характеристики приемника:
1 – без АРУ; 2 – при простой АРУ; 3 – при АРУ с задержкой;
4 – при АРУ с задержкой и усилением.

Это основной недостаток простой АРУ, и поэтому она применяется редко и только в простейших радиовещательных приемниках. Недостатки простой АРУ устраняются использованием АРУ с задержкой. Основное отличие АРУ с задержкой от простой в том, что пока уровень несущей на входе приемника не превосходит величины соответствующей номинальной чувствительности, детектор АРУ закрыт напряжением задержки Ез и система АРУ не работает. Как только сигнал превысит этот уровень, на входе детектора АРУ появится напряжение U_mc>\Ез\ и начинает действовать система регулирования, которая поддерживает выходное напряжение относительно постоянным. Схема АРУ с задержкой (рис. 3) содержит специальный детектор АРУ на диоде Д₂. С помощью потенциометра R₁ R₃ создается напряжение Е_з, подаваемое «а диод детектора АРУ и запирающее его. Регулирующее напряжение снимается с нагрузки детектора АРУ R₂ через фильтры R_фC_ф подается на базы транзистора регулируемых каскадов. Амплитудная характеристика приемника, в котором применена АРУ с задержкой, показана на рис. 3 (кривая 3). В отличие от простой АРУ (кривая 2), АРУ с задержкой не влияет на коэффициент усиления приемника до тех пор, пока входное напряжение не превысит U_BXо, т. е. пока входное напряжение детектора АРУ не превысит напряжение запирания диода Е_З. Только после этого начинает работать схема АРУ и начинает замедляться рост выходного напряжения. Для увеличения пределов регулирования применяются схемы АРУ с задержкой и усилением. В этих схемах перед детектором АРУ ставятся дополнительные каскады УПЧ АРУ или после детектора АРУ каскады усиления постоянного тока. В связи с трудностями стабилизации выходного напряжения усилителя постоянного тока эта схема применяется реже. Из рис. 3 (кривая 4) видно, что эффективность усиленной АРУ выше, чем всех остальных схем. Фильтр R_фС_ф (рис. 4) в цепи регулирования определяет инерционные свойства системы АРУ и служит для решения двух основных задач. Первая задача заключается в фильтрации напряжения промежуточной частоты и устранении тем самым обратной связи по промежуточной частоте. Вторая задача связана со свойствами амплитудно-модулированных сигналов. При приеме таких сигналов на нагрузке детектора АРУ будет действовать не только постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде несущей частоты, но и переменное напряжение с частотой модуляции. Если оба эти напряжения подать на регулируемые каскады, то усиление сигнала в приемнике будет сопровождаться его демодуляцией (уменьшением коэффициента модуляции). Для устранения этого явления инерционные свойства фильтра АРУ должны быть такие, чтобы на его выходе обеспечивалось отфильтровывание составляющих, изменяющихся с частотами модуляции. Обычно фильтр АРУ состоит из резистора и конденсатора. Для устранения связи между несколькими регулируемыми каскадами, которая может привести к самовозбуждению, между регулируемыми каскадам и в цепь регулирования ставятся развязывающие фильтры (R'_фС'_ф на рис. 4).

Рис. 4. Схема АРУ с задержкой.

Рассмотрим вопрос о возможных пределах регулировки усиления в одном каскаде и необходимом числе регулируемых каскадов, обеспечивающем заданные общие пределы АРУ, если в одном каскаде их обеспечить не удается. Реально можно получить в одном каскаде режимную регулировку в пределах 5—10 раз и до 20—30 раз при других видах регулировок. Если учесть, что уровень сигнала на входе приемника может изменяться в 10⁴ — 10⁵ раз, а на выходе приемника эти изменения не должны превышать 1,5 — 4 раза, то становится очевидной необходимость использования для регулировки усиления ряда каскадов приемника.

Дата добавления: 2014-12-07