Из чего состоит детектор

Детекторы устройств приема и обработки сигналов

Общие сведения и структура детекторов радиосигналов

Детектором радиосигналов называют часть радиоприемного устройства, позволяющего выделить огибающую (полезную информацию) несущей радиосигнала. Детектор служит для выделения выходного напряжения (детектирование), повторяющего закон модуляции входного радиосигнала. Операция детектирования может быть выполнена на основе применения нелинейного элемента или при использовании цепей с периодически изменяемыми параметрами (синхронный детектор) (рис. 4.30). Рис. 4.30  Обобщенная схема детектора радиосигналов Детекторы радиосигналов классифицируются по следующим признакам:

• по основному назначению;
• по виду модуляции несущей радиосигнала;
• по схемотехнической реализации;
• по типу используемого нелинейного элемента;
• по числу нелинейных элементов;
• по способу детектирования;
• по конструктивному оформлению.

По основному назначению различают детекторы: дифференциальные, выделяющие переменную составляющую огибающей радиосигнала, и интегральные, выделяющие усредненное значение уровня сигнала. Первые предназначены для выделения полезной информации, вторые  для формирования сигналов управления автоматическими устройствами. По виду модуляции несущей радиосигнала различают детекторы, предназначенные для детектирования: амплитудно-модулированного, частотно-модулированного, фазомодулированного, радиоимпульсного, однополосного и комбинированного и др. По схемотехнической реализации различают детекторы в зависимости от способа детектирования нелинейным элементом (эмиттерный, коллекторный, последовательный, параллельный, мостовая и т.д.). По типу используемого нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используют диоды, варикапы, вариконды, биполярные и полевые транзисторы, электровакуумные приборы и др. По способу детектирования различают детекторы с прямым и косвенным детектированием. При прямом детектировании производится процесс выделения огибающей сигнала без предварительной обработки. При косвенном детектировании процесс проводится путем предварительного преобразования одного вида модуляции в другой с последующим выделением огибающей сигнала. Примером могут служить детекторы с угловой модуляцией. По конструктивному оформлению входной цепи различают детекторы с сосредоточенными и распределенными параметрами. В общем виде постоянная составляющая определяет полезный эффект детектирования и зависит от уровня входного, выходного напряжения, частоты и фазы несущей радиосигнала и др. Детекторы на основе нелинейного элемента. Простейшая электрическая принципиальная схема последовательного детектора на основе полупроводникового прибора представлена на рисунке (рис. 4.31). Рис. 4.31  Электрическая принципиальная схема последовательного детектора сигналов с амплитудной модуляцией Принцип работы детектора заключается следующем: на вход детектора поступает модулированный сигнал высокой частоты. Продетектированный сигнал выделяется при нагрузке R_НC_Н, затем через C_Р поступает на вход следующего каскада R_сл. Синхронный детектор представляет собой частный случай преобразователя частоты, у которого частота гетеродина устанавливается равной несущей частоте сигнала; при этом их разностная частота равна нулю. Принцип работы синхронного детектора заключается в том, что на его вход поступает сигнал [1] и сигнал гетеродина ; . Таким образом, выделяется первая компонента , амплитуда которой изменяется по закону модуляции. Максимум полезного сигнала на выходе имеет место в случае. В синхронном детекторе отсутствует подавление слабого сигнала сильной помехой. Это объясняется наличием сильного сигнала гетеродина, синхронного с полезным сигналом. Корреляционные детекторы представляют собой перемножители входного сигнала на самого себя. Структурная схема корреляционного детектора представлена на рисунке 4.32. Рис. 4.32  Структурная схема корреляционного детектора Принцип работы корреляционного детектора заключается , где M – масштабный усилитель усилительного прибора. Фильтр нижних частот (ФНЧ) выделяет первую компоненту напряжения . Схема извлечения корня позволяет получить линейные передаточные свойства детектора.

11.05.2015 71.73 Кб 62 29.docx

12.07.2019 87.55 Кб 1 3 — Поведение потребителя.doc

22.11.2019 330.75 Кб 2 3 Об SGML и HTML.doc

11.05.2015 3.08 Mб 46 3 Уч пособие МООЦСС_УМП_2007.pdf

11.05.2015 2.93 Mб 75 3-192.DOC

10.05.2015 6.79 Mб 294 3-200.doc упос пособие.doc

29.04.2019 167.94 Кб 1 3-26.doc

10.05.2015 945.15 Кб 37 3-34.doc

11.05.2015 209.41 Кб 15 3. Изучение электрасттического поля.pdf

11.05.2015 1.14 Mб 17 3. Экономический анализ-лекция для маг..doc

10.05.2015 122.88 Кб 4 3.2.13.doc

Ограничение

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

7. Детекторы радиоприемных устройств

В зависимости от вида модуляции детектируемого сигнала различают АД, ЧД, ФД, детектор сигнала однополосной модуляции и т.д.

Детекторная характеристика – зависимость выходного напряжения от того параметра сигнала, на который детектор реагирует. Детекторная х-ка должна быть линейной с возможно большей крутизной

7.2. Детекторы амплитудно-модулированных сигналов

АД можно разделить на 2 класса:

• АД на основе эффекта выпрямления (детекторы огибающей)
• АД на основе эффекта преобразования частоты (синхронные детекторы)

7.2.1. Детекторы огибающей

7.2.1.1. Принцип работы и схемы

Коэффициент передачи детектора по постоянному току:

Коэффициент передачи детектора по переменному току:

Наилучшими показателями среди детекторов огибающей обладают диодные АД (простая схема, малые НИ)

Последовательная схема АД Выходное напряжение повторяет огибающую ВЧ сигнала. Коэффициент передачи АД близок к 1. В спектре выходного напряжения имеются остатки ВЧ. Важно правильно выбрать постоянную времени нагрузки

Параллельная схема АД

Имеет гальваническую развязку с предшествующим каскадом На RН присутствует не только продетектированное напряжение, но и ВЧ сигнал. Необходим дополнительный фильтр для подавление ВЧ составляющих (RФ, CФ)

7.2.1.2. Анализ работы диодного ад

Для гармонического сигнала: Зная Um и ВАХ диода iД(uД), необходимо найти U=

7.2.1.2.1. Анализ работы диодного ад в режиме слабых сигналов

В режиме слабых сигналов ВАХ диода является монотонной функцией с относительно слабой нелинейностью

Ее можно разложить в ряд Тейлора по степеням малого напряжения на диоде uД относительно точки начала координат и ограничиться первыми членами ряда крутизна ВАХ диода и ее производные в начале координат

Результатом детектирования является постоянная составляющая тока , поэтому вторым слагаемым можно пренебречь

Обычно:

При Um = 1 мВ KД = 5*10 -3 , а U= = 5*10 -6 В или 5мкВ

• В режиме слабых сигналов детекторная характеристика квадратичная. Детектирование сопровождается значительными НИ. Коэффициент гармоник равен K_Г = m/4 (12.5% при m=50%)
• Коэффициент передачи детектора значительно меньше единицы и зависит от амплитуды ВЧ сигнала.
• Детектор в режиме слабых сигналов работает плохо!

Детекторы

Общие сведения. Устройство, предназначенное для выделения информации из гармонического колебания с изменяющейся амплитудой, частотой или фазой, называют детектором, т.е. детектор выполняет операцию извлечения информации, заложенной в гармоническое колебание модулятором. В процессе детектирования восстанавливается исходная информация, следовательно, процесс детектирования является обратным процессом по отношению к модуляции и поэтому вместо терминов «детектор», «детектирование» часто используют термины «демодулятор», «демодуляция». В зависимости от вида модулирующей функции различают три основных типа детекторов.

Амплитудный детектор (АД) предназначен для выделения модулирующей функции из AM-сигнала. К функции, выполняемой АД, можно подойти с трех точек зрения.

1.С математической точки зрения АД преобразует входной АМ-сигнал

в выходной сигнал

где U_c, to. 0)_с — амплитуда сигнала при отсутствии передаваемой информации (амплитуда несущей), частота (обычно промежуточная) и начальная фаза сигнала; AU(t) — модулирующая функция, отражающая закон изменения передаваемой информации; К_АЛ — коэффициент передачи детектора.

• 2. С временной точки зрения АД выделяет огибающую АМ-сиг- нала (рис. 4.36, а).
• 3. Со спектральной точки зрения АД осуществляет перенос боковых спектральных составляющих в область низких частот (рис. 4.36, б).

Рис. 4.36. Временная (а) и спектральная (б) трактовки принципа амплитудного детектирования

Фазовый детектор (ФД) предназначен для выделения модулирующей функции из ФМ-сигнала. С математической точки зрения ФД преобразует входной ФМ-сигиал

в выходной сигнал

где U_c, со₍., (о₍. — амплитуда, частота и начальная фаза сигнала; Дф(Г) — модулирующая функция, отражающая закон изменения передаваемой информации; К_ФЛ — (размерный) коэффициент передачи детектора.

Частотный детектор (ЧД) предназначен для выделения модулирующей функции из ЧМ-сигнала, т.е. ЧД преобразует входной ЧМ-сигнал

в выходной сигнал

где U_c, со_с = 2л/_с, ср_с — амплитуда, средняя частота (обычно промежуточная) и начальная фаза ЧМ-сигнала; Дш(Г) — модулирующая функция, отражающая закон изменения передаваемой информации; К_чд = const — (размерный) коэффициент передачи ЧД.

Основные показатели детекторов. Одним из наиболее важных показателей любого детектора является детекторная характеристика, представляющая собой зависимость постоянного напряжения U₀ на его выходе от изменяющегося параметра входного сигнала. На рис. 4.37 приведены детекторные характеристики АД, ФД и ЧД в виде функций U₀ =/(17_с), U₀ = F(Дф), U₀ = Ф(со_с), где U_c, со_с — амплитуда и частота входного радиосигнала; А(р = (р_с — ф_оп — разность фаз входного и опорного сигналов. Следует отмстить, что ха- рактеристки ФД и ЧД имеют одинаковую форму (рис. 4.37, б, в). Их основными параметрами являются значения Д(р = 0 и со_с = со₍₎, при которых U₀ = 0; коэффициент передачи (крутизна характеристик)

Рис. 4.37. Детекторные характеристики амплитудного (я), фазового (б) и частотного (в) детекторов

При использовании ФД и ЧД по основному назначению, т.е. для детектирования сигналов, их детекторные характеристики должна быть линейными; раствор характеристик должен обеспечить заданные пределы изменения фазы и частоты. Так как детекторная характеристика проходит через нуль, ФД и ЧД могут быть использованы в качестве различителя (дискриминатора) фазы и частоты в системах автоматической подстройки частоты. В этом случае предъявляются повышенные требования к стабильности значений Дф = 0 и со_с = со₀. По детекторным характеристикам можно определить нелинейные искажения (например, методом пяти ординат). Для их оценки пользуются коэффициентом гармоник

Ряд показателей детектора может быть определен по его отклику на гармонический сигнал с изменяющимися параметрами. Например, при входном сигнале АД с изменяющейся амплитудой U_c(t) = [/(1 + mcosQt) по известному выходному напряжению

u n = U_ncosClt можно определить коэффициент передачи детектора как К_АД = U_(l/mU_c и его амплитудно-частотную характеристику K_aJD.), а по форме и_п оценить нелинейные искажения.

К другим показателям следует отнести:

• • входное сопротивление (обычно активное), представляющее собой отношение амплитуды напряжения высокой частоты на входе детектора к амплитуде входного тока первой гармоники: R_m = U₍./I_ci. Входное сопротивление определяет степень шунтирования входного контура детектора;
• • коэффициент фильтрации, определяемый отношением k. = = U_m. _Bta/U_c, где U₍._ВЬ1Х — амплит>’да напряжения сигнала (обычно промежуточной частоты), проникающего на выход детектора.

Схемотехника амплитудных детекторов. Выделим четыре типа ЛД и рассмотрим их схемные и другие особенности.

Детекторы на нелинейных элементах. Этот тип детекторов является традиционным и строится на полупроводниковых диодах и транзисторах.

Несмотря на то что диодные детекторы не находят применения в интегральных схемах, их рассмотрение представляет большой интерес, так как позволит выявить общие закономерности процессов, протекающих при амплитудном детектировании, и дать оценку основных параметров и характеристик устройств этого класса. Кроме того, до настоящего время весьма широкое применение в источниках вторичного электропитания находят диодные выпрямители, которые, по сути дела, выполняют те же функции, что и АД. С точки зрения протекающих процессов основное отличие АД от выпрямителей обусловлено тем, что АД должны реагировать на изменение амплитуды входного сигнала.

Рассмотрим принципы детектирования ЛМ-сигнала на примере схемы АД последовательного тина (рис. 4.38, а), в которой источник сигналов и_с, диод VD и нагрузка R с фильтром, функции которого

Рис. 4.38. Схема (а) и принцип работы (б —г) амплитудного детектирования выполняет конденсатор С, включены последовательно. При объяснении принципа действия АД можно использовать три подхода.

Допустим, что напряжение входного сигнала и_с изменяется по гармоническому закону и не содержит постоянной составляющей. Тогда в силу односторонней проводимости диода через него будет протекать ток i, среднее значение (или постоянная составляющая /₀) которого не равно нулю. Ток /₀ на резисторе R создает постоянное напряжение U_Qy значение которого зависит от амплитуды напряжения сигнала и_с. Конденсатор С подавляет высокочастотные составляющие тока i. Процессы, протекающие в схеме АД при напряжении сигнала с постоянной амплитудой, приведены на рис. 4.38, б, в. Следовательно, принцип действия АД можно рассматривать с позиций работы выпрямителя. Зависимость выходного напряжения U₀ от амплитуды U_c представляет собой детекторную характеристику, которая должна быть линейной.

При временном подходе для объяснения принципа работы АД полупроводниковый диод наделяют функциями ключа, который находится в замкнутом состоянии, если напряжение на диоде больше нуля, и в разомкнутом, если к диоду подводится отрицательное напряжение. Будем полагать, что сопротивление ключа в замкнутом состоянии и внутреннее сопротивление источника сигналов равны нулю. В этом случае при и_с = и_пх > 0 происходит заряд конденсатора С до максимального напряжения, после чего ключ размыкается и конденсатор разряжается через резистор R с постоянной времени RC до тех пор, пока напряжение на входе не сравняется с напряжением на конденсаторе (рис. 4.38, г). Выходное напряжение w_BbIX снимается с конденсатора, его форма отражает закон изменения амплитуды входного напряжения.

При частотном подходе для объяснения принципа работы АД представим AM-сигнал в виде суммы трех составляющих:

где т — коэффициент модуляции.

Если в преобразователе частоты для получения колебаний с разностной частотой используются колебания вспомогательного автогенератора (гетеродина), то в рассматриваемом случае нет такой необходимости, так как эту функцию могут выполнить колебания несущей частоты. Поэтому, подавая АМ-сигнал (4.66) на нелинейный элемент, в результате перемножения колебаний несущей частоты со_с с колебаниями боковых частот со_с ± Q выделяются колебания с разностной частотой Q.

Характеристики АД значительно улучшаются при использовании нелинейного элемента типа «идеальный диод» |61|. На рис. 4.39 приведена схема двухполупериодного АД, в котором «иде-

Рис. 4.39. Схема двухполупериодного амплитудного детектора

альный диод» выполнен на операционном усилителе DA с нелинейной обратной связью. Диодом VD_X выпрямляется отрицательная полуволна входного напряжения, диодом VD₂ положительная. Так как диоды всегда работают с углом отсечки 0 = тс/2, значение выпрямленного напряжения, снимаемого с одного из диодов, равно

где К_1К = -R₂/R _— коэффициент усиления операционного усилителя с ОС; U_KX — амплитуда входного напряжения. Поэтому коэффициент передачи АД в этом случае составляет

Отметим, что при использовании для детектирования только одного из диодов в схеме сохраняется ветвь с другим диодом. Эта ветвь служит для создания отрицательной обратной связи в течение времени, когда детектирующий диод заперт.

В схеме на рис. 4.39 выпрямленное напряжение снимается с обоих диодов и поступает на выход АД через инвертирующий повторитель на операционном усилителе DA₂ и 7?С-фильтр нижних частот.

Достоинством АД на идеальном диоде является то, что они позволяют детектировать сигналы с амплитудой порядка 1 мВ с малыми нелинейными искажениями и постоянным коэффициентом передачи, равным К_(к./к для однополупериодных и 2К_ос/п для двухно- лупериодных АД.

Транзисторное детектирование. При использовании транзисторов можно выделить три основных способа амплитудного детектирования:

• • базовое детектирование. При этом способе детектирования АД строится как диодный детектор при использовании в качестве нелинейного элемента перехода база — эмиттер транзистора (рис. 4.40, а). Выходное напряжение выделяется на резисторе R_bи усиливается транзистором VT, включенным по схеме с ОЭ;
• • коллекторное детектирование (рис. 4.40, б), при котором используется проходная вольт-амперная характеристика транзистора: г_к =/(г/_БЭ). Продетектированное напряжение выделяется на резисторе /?_к, включенном в коллекторную цепь транзистора VT.

Рис. 4.40. Базовое (а), коллекторное (б) и эмиттерное (в) детектирование

Конденсатор С_к служит для фильтрации высокочастотных составляющих. Процесс детектирования протекает в режиме работы транзистора с углом отсечки, близким к 90°. Коллекторный способ обеспечивает детектирование сигнала с усилением;

• эмиттерное детектирование (рис. 4.40, в), использующее нелинейную зависимость г_э = /(м_БЭ). Продетектированное напряжение выделяется на резисторе R₃, включенном в эмиттерную цепь транзистора VT, и прикладывается к переходу эмиттер — база. Конденсатор С_э служит для фильтрации высокочастотных составляющих. Эмиттерный способ детектирования не позволяет получить коэффициент передачи К_лл > 1, однако благодаря отрицательной обратной связи по огибающей обеспечивает достаточно высокое качество детектирования, большое входное и малое выходное сопротивления.

На практике используется эмиттерный (рис. 4.41, а) или комбинированный, например коллекторно-эмиттерный (рис. 4.41, 6), способ амплитудного детектирования па транзисторах.

Рис. 4.41. Схемы эмиттерного (а) и коллекторно-эмиттерного (б) детектирования

Корреляционные АД. Схемы корреляционных детекторов строятся на основе перемножителей аналоговых сигналов. При амплитудном детектировании на оба входа ПАС подают АМ-сиг- пал (4.64), в результате перемножения (учитывая, что 2 и при напряжениях и_ш = U_c(t)cos(o_ct, и = (/₍.(?)sin со/ имеет решение и_пых = = U_c(t). Таким образом, огибающая U_c(t) АМ-сигпала получается в результате решения неявного уравнения (4.68) с помощью схемы на рис. 4.43, б без использования операции извлечения квадратного корня.

Puc. 4.45. Схемы детектора с выделением огибающей квадратурного

Еще один возможный вариант схемы АД рассматриваемого типа представлен на рис. 4.45, в. В состав АД входят дифференциатор, интегратор, квадратор, перемножитель, вычитатель и схема извлечения квадратного корня.

Огибающая AM-сигнала имеет значительно меньшую скорость изменения, чем несущая. Поэтому вторые члены на выходе дифференциатора и интегратора, содержащие производную огибающей U’_c(t), не учитываются.

Схемотехника фазовых детекторов. Все ФД являются когерентными устройствами, требующими источника опорного напряжения с частотой, равной частоте сигнала, и строятся с использованием ПАС. В результате перемножения напряжения сигнала (4.65) с опорным напряжением и_оп = i/_ollsin((o_cf + ср_оп) на выходе перемно- жителя получаем

где К_м — масштабный коэффициент перемножителя.

Вторая гармоника колебания несущей частоты подавляется фильтром нижних частот, включенным на выходе перемножителя. Таким образом, ФД состоит из трех основных функциональных узлов: перемножителя, генератора опорного напряжения и фильтра нижних частот.

Первый член выражения (4.69) при Д О открыт транзистор VT, и через него протекает ток /, = /₀; при ц, 0 открыт транзистор VT₃ и через него протекает ток /₃ = /, = /₀; при и₂ 0 открыт транзистор VT₆ и через него протекает ток /_в = /., = /_ц;

Рис. 4.46. Схема фазового детектора (а), его временные диаграммы (б) и детекторная характеристика (в)

• выходное напряжение и_вых = /?_к(/₃ — /₄ + /₅ — /₆), постоянная составляющая которого, как ясно из рис. 4.46, 6, зависит от сдвига фаз между напряжениями и₂ и г/, и определяется следующими соотношениями:

В справедливости соотношений (4.71) можно убедиться непосредственно из временной диаграммы на рис. 4.46, б для и_вых: м_ВЬ1Х = = ^п„, = R A при ф = 0; м_вых = и_въа = RJ₀ при (р = ±л. Соотношения (4.71) представляют собой детекторную характеристику треугольной формы (рис. 4.46, в), которая при расширении пределов изменения является периодической функцией. Если начальный фазовый сдвиг между входными напряжениями и₂, и принять равным Ф₀ = ±тг/2, то детекторная характеристика будет начинаться из нуля. Коэффициент передачи ФД определяется тангенсом угла наклона детекторной характеристики (7С_ФД = ±2RJ₀/n) и не зависит от амплитуд входных напряжений u_v и₂.

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДЕТЕ́КТОР

Полупроводниковые детекторы: коаксиальный на основе Ge (а), планарный на основе Si (б), дрейфовый на основе Si (в). Чёрными стрелками показаны пути и направления дрейфа электронов и дырок, красной стр.

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДЕТЕ́КТОР, при­бор для ре­ги­ст­ра­ции ио­ни­зи­рую­щих из­лу­че­ний, ма­те­риа­лом чув­ст­ви­тель­ной об­лас­ти ко­то­ро­го яв­ля­ет­ся по­лу­про­вод­ник. По прин­ци­пу дей­ст­вия П. д. ана­ло­ги­чен ио­ни­за­ци­он­ной ка­ме­ре . При по­да­че на­пря­же­ния на кон­так­ты П. д. в по­лу­про­вод­ни­ке об­ра­зу­ет­ся слой с вы­со­кой на­пря­жён­но­стью элек­трич. по­ля (10 3 – 10 4 В/см), яв­ляю­щий­ся чув­ст­вит. об­ла­стью (ЧО) при­бо­ра. Час­ти­цы (кван­ты) ио­ни­зи­рую­ще­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей ℰ соз­да­ют в ЧО элек­трон­но-ды­роч­ные па́­ры в ко­ли­че­ст­ве, рав­ном ℰ / ε (где ε – энер­гия об­ра­зо­ва­ния па­ры в по­лу­про­вод­ни­ке; напр., для Si ε = 3,6 эВ). В элек­трич. по­ле ЧО элек­тро­ны и дыр­ки дрей­фу­ют к кон­так­там П. д., ин­ду­ци­руя на них элек­трич. сиг­нал. Ам­пли­ту­ды сиг­на­лов, соз­да­вае­мых час­ти­ца­ми, про­бег ко­то­рых мень­ше тол­щи­ны ЧО, да­ют энер­ге­тич. спектр час­тиц; ес­ли про­бег боль­ше тол­щи­ны ЧО – ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся спектр по­терь энер­гии час­тиц в ЧО. Фор­ма сиг­на­ла за­ви­сит от дли­ны про­бе­га час­ти­цы в ЧО или от точ­ки по­гло­ще­ния кван­та. По­сколь­ку на дли­ну про­бе­га час­ти­цы влия­ют её мас­са и за­ряд, то П. д. по­зво­ля­ет иден­ти­фи­ци­ро­вать час­ти­цы по этим па­ра­мет­рам, а для γ -кван­тов – оп­ре­де­лять точ­ку их по­гло­ще­ния.

Похожие публикации:

1. 42 вольта где используется
2. Как называется прибор для измерения атмосферного давления
3. Как проверить дмрв z18xer
4. Лампа и светильник в чем разница