Записки программиста

На данном этапе нам известно, что представляет собой частотная модуляция, а также как сделать ЧМ модулятор на основе ГУН (подать НЧ сигнал в качестве управляющего напряжения). Однако до сих пор мы не рассматривали ни одного ЧМ детектора. Давайте это исправим.

Эффективным и в то же время простым ЧМ детектором является квадратурный детектор. Вот его схема:

В основе схемы лежит диодный кольцевой смеситель. Вспомним, что при подаче на входы смесителя сигналов с частотами f1 и f2 на выходе мы получим f1 ± f2. Также будут некоторые побочные продукты. Про них мы временно забудем, чтобы упростить рассуждения. Если f1 = f2 = f, то на выходе получаем 0 и 2×f. Мысленно отфильтруем 2×f и рассмотрим только постоянный сигнал.

Частоту сигнала мы установили, она составляет 0 Гц. Но как много вольт мы получим? Оказывается, что это определяется разностью фаз входных сигналов. Запомним данное обстоятельство и рассмотрим фильтр L1, R1, C1-C3 в нижней части схемы.

Вот его АЧХ и ФЧХ, полученные при помощи SPICE-симуляции в KiCad:

Абсолютные значения амплитуды для нас сейчас не важны. Отметим лишь, что пик АЧХ пришелся на 9 МГц и что АЧХ мало меняется на интервале ±7.5 кГц от этого пика. Куда важнее ФЧХ, а точнее тот факт, что она почти линейна на том же интервале. Резонансная частота контура в основном определяется L1 и C2-C3, тогда как R1 определяет кривизну ФЧХ.

Вернемся к детектору. Мысленно подадим на вход ЧМ сигнал с несущей 9 МГц. Мгновенная частота этого сигнала будет либо чуть выше, либо чуть ниже 9 МГц. За счет фильтра в нижней части схемы на входах смесителя LO и RF получим сигналы с одинаковой частотой, но фазы которых отличаются в ту или иную сторону в зависимости от отклонения мгновенной частоты от 9 МГц.

Соответственно, на выходе IF получаем демодулированный НЧ сигнал, а также ВЧ сигнал 18 МГц, плюс побочные продукты. Фильтр R3, C5 и диплексер R2, C4 гасят ВЧ сигналы и оставляют только НЧ. Чтобы его можно было разглядеть на осциллографе, полная схема детектора [PDF] включает НЧ усилитель. Усилитель представляет собой простой каскад с общим эмиттером, поэтому не будем на нем задерживаться. Ранее такой каскад использовался во многих моих трансиверах в роли драйвера УНЧ.

Теория звучит правдоподобно, но как схема ведет себя на практике?

А вот как:

Здесь на вход детектора подан сигнал с несущей 9 МГц и девиацией 5 кГц, промодулированный синусом с частотой 1 кГц. Выход НЧ усилителя идет на высокоомную нагрузку. Усилитель питается от 9 В. Данное напряжение можно менять в широких пределах, по меньшей мере от 5 до 15 В. Получили сигнал с верной частотой и без видимых искажений. Как будто бы детектор работает.

Оптимальный уровень входного сигнала составил -5..-3 dBm. При изменении как в большую так и в меньшую сторону уровень выходного сигнала падает. Детектор работает не только на 9 МГц. Уровень выходного сигнала падает в два раза по амплитуде при частоте несущей 8 МГц или 10 МГц, и практически до нуля на частотах <1 МГц и >16 МГц.

При увеличении частоты модулирующего сигнала до 11 кГц выходной сигнал также падает в два раза. Девиация может быть увеличена аж до 150 кГц без заметных искажений, но только при условии использования правильной частоты несущей (9 МГц) и оптимального напряжения питания схемы (9 В). Чем больше девиация, тем больше амплитуда выходного сигнала.

Помимо ЧМ квадратурный детектор также демодулирует АМ. По этой причине перед детектором обязательно должен стоять ограничитель (limiter). Иначе схема будет работать не совсем (точнее говоря, не только) как ЧМ детектор. Однако схемы ограничителей уже выходит за рамки данной статьи.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.