Частотное детектирование

В основу устройств, предназначенных для выделения инфор­мации, содержащейся в сигнале, модулированном по частоте, может быть положен один из следующих принципов:

а) преобразование частотно-модулированного сигнала в ам-ллитудно-модулированный с помощью схем (дискриминаторов), использующих параллельный колебательный контур, с после­дующим детектированием полученного модулированного по ам­плитуде сигнала;

б) преобразование частотно-модулированного сигнала в синхронную по частоте последовательность импульсов с их ин­тегрированием и определением среднего напряжения либо изме­рением их частоты;

в) гетеродинное преобразование сигнала. Дискриминатор с параллельным колебательным контуром.

Схема частотного дискриминатора, содержащего простой коле­бательный контур, лредставлена на рис. 4.24, а.

Если резонанс­ная частота Far контура отличается от средней (центральной) частоты F₀ модулированных колебаний F, то при изменении мгновенных значений частоты Е входного сигнала, приложенно­го к контуру, изменения амплитуды напряжения на контуре повторяют изменение частоты F(t) измеряемой величины (рис. 4.24,6).

Для улучшения линейности характеристики преобразования частота — амплитуда используют двухконтурные дискримина­торы. В отсутствие модуляции, когда частота входного сигнала совпадает с резонансной частотой контуров, напряжение на одном из них сдвинуто по фазе на 90° относительно напряжения другого.

Генерация импульсов, синхронных частотно-модулированному сигналу. Получить импульс определенной фиксированной ам­плитуды и продолжительности соответственно каждому перио­ду частотно-модулированного напряжения можно различными способами, такими, как:

а) усиление сигнала с последующим его ограничением, диф­ференцированием и однополупериодным выпрямлением;

б) амплитудная дискриминация модулированного напряже­ния, когда оно становится равным заданному опорному напряжению и осуществляется запуск формирователя импульса (на­пример, ждущего мультивибратора). Частота следования фор­мируемых импульсов или среднее значение их напряжения при неизменной полярности является линейной функцией измеряе­мой величины.

Частотное детектирование с гетеродинным преобразованием сигнала. Блок-схема такого устройства приведена на рис. 4.25. В него входят:

— фазовый детектор, на один вход которого подается моду­лированное напряжение , , а « другой— напряжение местного гетеродина , . Фазовый детектор выдает напряжение v&, являющееся Функцией разности фаз входньЬс напряжений — 6i (гетеродина);

— фильтр нижних частот;

— усилитель с коэффициентом усиления А, выходное напря­жение ;i>_c которого управляет частотой местного гетеродина;

— опорный гетеродин, частота F? которого является линей­ной функцией управляющего напряжения v_e, т. е.

Проанализируем возможности детектирования частотно-мо­дулированного сигнала с помощью такого устройства. Для этого положим, что напряжение на выходе фазового детектора про­порционально разности фаз входных напряжений

где Kd — коэффициент пропорциональности, а спектр частот этого напряжения находится в полосе пропускания фильтра • нижних частот.

Рассмотрим сначала случай, когда напряжение v_m имеет круговую частоту Qo и постоянный сдвиг фазы 6₀:

Управляющее напряжение местного гетеродина определяет­ся выражением

Частота гетеродина стабилизируется, когда перестает изме­няться у_е, что, в свою очередь, происходит только при условии

Говорят, что гетеродин в этом случае «синхронизирован» с частотой сигнала (произошел «захват» частоты сигнала) и

напряжение v_e удовлетворяет двум условиям:

Отсюда следует, что разность фаз между модулированным сигналом и напряжением гетеродина равна

Если изменения приращений намеряемой величины подчиня­ются гармоническому закону , to выражение для г_п преобразуется к виду

где , (см. разд. 3.4.1). После подстановки ,

получим

Напряжение, выдаваемое в этом случае гетеродином, можно записать в виде

Величины и —синусоидальные. Переходя к ком­плексной записи, получим

Модуляция по частоте вызывает вариации Lv& выходного напря­жения компаратора фаз

что обусловливает изменения Ди_в управляющего напряжения гетеродина

В результате получаем вариации мгновенной круговой частоты гетеродина в виде

Отсюда следует

Возвращаясь к временному отображению разности фаз, име­ем

и, в предположении, что , , получим

Таким образом, напряжение на выходе компаратора фаз, как и напряжение, управляющее гетеродином, изменяются соот­ветственно изменениям измеряемой величины.