Синхронный АМ-детектор

January 18, 2011 by admin Комментировать »

Синхронное детектирование сигналов во многом сходно с использова­нием приемника однополосных сигналов (SSB) для приема сигналов с ампли­тудной модуляцией (AM). В этом случае приемник настраивают на частоту нулевых биений несущей частоты принимаемой АМ-радиостанции. При этом устраняются искажения, вызванные замиранием сигнала несущей частоты, так как сама несущая образуется (восстанавливается) в приемнике. Отли­чие синхронного детектирования АМ-сигнала от нормального детектирова­ния однополосного сигнала состоит в том, что синхронный детектор "захва­тывает" фазу несущей частоты получаемого сигнала. При этом устраняется ошибка настройки. В результате получается эффективное увеличение каче­ства детектирования по сравнению с обычным диодным детектором AM

Синхронный детектор

На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема синхронно­го детектора, для настройки которого требуется всего лишь цифровой муль- тиметр. В схеме используются популярные микросхемы NE602AN (смеси­тель/генератор) и NE604AN (ЧМ-тракт). Данные ИМС необходимы для полу­чения как синхронного, так и квазисинхронного детектирования. (Следует отметить, что в качестве DA1 и DA2 неплохо работают ИМС NE602N, SA602N, SA602AN; аналогично вместо ИМС DA3 типа NE604AN можно использовать NE604N, SA604N, SA604AN). При использовании напряжения питания +6 В схема потребляет ток около 10 мА. ИМС DA2 используется в качестве гене­ратора опорной частоты и детектора, необходимых для синхронного детекти­рования. Применение балансных входов ИМС позволяет значительно осла­бить прохождение сигнала опорного генератора во входную цепь и, соот­ветственно, на вход ограничителя DA3. Для использования преимуществ цепи внутреннего смещения ИМС DA1, DA2 трансформатор Т1 подключен к входам данных ИМС через разделительные конденсаторы С6, С7, С9, С11. У ИМС DA2 также имеется симметричный выход низкой частоты, но практичней использовать обычный (несимметричный) выход. В этом случае требуется применение дополнительного каскада на операционном усилите­ле. При использовании балансного выхода уменьшается уровень четырех гармоник в звуковом сигнале, однако данный вариант неоправданно увели­чивает сложность всей конструкции.

Амплитуда опорного генератора на DA2 составляет около 660 мВ (напряжение от пика до пика, измеренное на выводах катушки L1) и выс­тавляется подбором сопротивления резистора R2. Частота генерации опор­ного генератора определяется количеством витков катушки L1, а также ва­рикапами настройки VD1 и VD2. На ИМС DA1 поступает управляющее напря­жение через контакты переключателя SA2 "Режим ОГ’, которым выбирается источник управляющего напряжения. Имеется два режима работы: первый, когда управляющее напряжение поступает с фазового детектора DA3 (ре­жим синхронного детектирования), и второй, когда управляющее напряже­ние является постоянным и снимается с резистивного делителя R22, R23 (режим приема CW, SSB или режим настройки).

Постоянное напряжение в случае использования второго режима (выс­тавляется отношением сопротивлений резисторов R22 и R23) соответствует оптимальному выходному напряжению с фазового детектора. Резистор R16 "Настройка ОГ’ обеспечивает ручную настройку детектора без потери значе­ния установленного ранее управляющего напряжения. Переключатель SA1 определяет вид боковой полосы. Предварительно необходимо установить дви­жок резистора R2 в положение оптимальной настройки: для нижней боковой полосы (LSB) -2 кГц; двух боковых полос (DSB) или амплитудной модуля­ции ±0 кГц; для верхней боковой полосы (USB) +2 кГц (приведенные значе­ния расстройки справедливы при применении синхронного детектора в при­емнике, в котором боковые полосы на ПЧ уже инвертированы относительно принимаемого ВЧ-сигнала). Резистор R16 "Настройка ОГ’ обеспечивает точ­ную настройку детектора в случае использования схемы в приемнике с дис­кретной перестройкой по частоте (например, с шагом 1 кГц). Для нормальной работы фазового детектора DA3 необходим сдвиг фаз между входным и опорным сигналами, равный 90°. В этом случае на выходе будет присут­ствовать "правильное" напряжение с нулевой фазой (оно составляет около 2,16 В). Буферный каскад на транзисторе VT1 представляет собой регулиру­емый фазовращатель, необходимый для получения фазового сдвига 90°.

ИМС DA3 NE604N содержит усилитель-ограничитель (сквозной коэф­фициент усиления составляет около 101 дБ) и квадратурный детектор. Для коррекции полосы пропускания можно использовать различные RC-цепочки и LC-фильтры, включаемые между каскадами ограничителя. Однако практи­ческие эксперименты с разными корректирующими цепями не привели к хорошим результатам – увеличилось время задержки прохождения сигнала, вследствие чего изменилось требуемое фазовое отношение между боко­вой полосой и несущей частотой. На рис. 1 квадратурный детектор ИМС DA3 используется в качестве фазового детектора, формирующего управляющее напряжение для ИМС DA1.

Наиболее трудным аспектом цепи синхронизации фазы является вы­бор постоянной времени в петле фазовой подстройки. Замирание принима­емого сигнала, присутствие или отсутствие фазовой модуляции – все это оказывает существенное влияние на выбор параметров в петле фазовой подстройки. Изменение амплитуды входного сигнала (замирание) не явля­ется существенной проблемой. В этом случае для качественного приема боковых полос АМ-сигнала достаточно выбрать маленькую постоянную времени в петле ФАПЧ. В случае приема одной боковой полосы АМ-сиг­нала с неподавленной несущей частотой (включающей фазовую состав­ляющую всех модуляционных частот), а также двух боковых полос АМ-

Рис. 1. Схема прибора

сигнала с глубоким федингом (на время которого ФАПЧ с маленькой по­стоянной времени может при мгновенных флуктуациях фазы выходить из режима захвата) необходима большая постоянная времени. Для SSB- сигнала с неподавленной несущей полосу пропускания в петле ФАПЧ сле­дует ограничить до значения самой низкой модуляционной частоты. На рис. 1 постоянная времени в петле ФАПЧ устанавливается элементами R18 и С28.


С вывода 5 ИМС DA3 снимается напря­жение, пропорциональное логарифму от входного уровня. Напряжение шумов состав­ляет 1,1В (при замыкании на общий провод входа). При напряжении входного сигнала около 3 мВ напряжение на выводе 5 DA3 со­ставляет 3,3 В. Данный выход ИМС DA3 мож­но использовать в составе системы автома­тической регулировки усиления по промежу­точной частоте. Так как ИМС NE604AN име­ет большой коэффициент усиления, то для получения малого уровня шума и наводок необходимо использовать малогабаритные навесные элементы с наименьшей длиной вы­водов. Следует также обеспечить эффектив­ную развязку цепей ИМС DA3 от опорного генератора DA2.

ИМС DA1 NE602AN работает в качестве квазисинхронного детектора. Сигнал опорной частоты в виде меандра поступает на DA1 с вывода 9 ИМС DA3. Можно заметить, что DA1 работает аналогично DA2, за исключением того, что в качестве опорного сигнала на вы­вод 6 DA1 подается сигнал прямоугольной формы, полученный ограничением входного сигнала, а не с ГУНа, как в ИМС DA2.

Конструкция

При конструктивном выполнении детек­тора следует использовать как можно боль­шую площадь земляной шины. При этом за­земляемые выводы ИМС припаиваются не­посредственно к земле, с минимальной дли­ной соединительных проводников.

На рис. 2 показана конструкция и рас­положение элементов детектора. Сигнал про­межуточной частоты (входной сигнал) и вы­ходной сигнал низкой частоты подаются с по­мощью коаксиальных кабелей малого диа­метра.


Буферный каскад УПЧ

В качестве буферного каскада, соединяющего синхронный детектор с полупроводниковым приемником, можно использовать эмиттерный повтори­тель на биполярном транзисторе (рис. 3). В случае использования лампово­го приемника сигнал промежуточной частоты можно снимать с катодного повторителя (рис. 4). При отсутствии приборов, позволяющих измерять на­пряжение ПЧ, необходимо установить уровень сигнала на входе детектора, при котором выходной сигнал низкой частоты имеет неискаженную форму.

Для оценки работы детектора можно использовать вывод 5 ИМС DA3. При подключении к нему вольтметра необходимо убедиться в отсутствии проникновения сигнала опорного генератора во входную цепь. Для этого за­корачивают на общий провод вход детектора и снимают показания вольтмет­ра. Измеренное напряжение должно составлять около 1,1В. Если измерен­ное значение отличается от приведенного выше, то, возможно, из-за нераци­онального монтажа сигнал опорного генератора попадает на вход DA3. Пока­зания измерительного прибора не должны сильно измениться при подключе­нии детектора к приемнику. Усиление приемника по высокой частоте необхо­димо уменьшить до минимума, так как в этом случае на выходе детектора

будет оптимальное отношение сигнал/шум. При работе с синхронным детек­тором приемник должен работать в режиме AM (опорный генератор приемни­ка, включаемый при работе в режиме SSB, должен быть отключен). Если в данном режиме работы напряжение на выводе 5 DA3 будет более 1 В, это может быть следствием поступления на вход DA3 сигнала опорного генера­тора приемника или другого паразитного сигнала. Детектор не будет рабо­тать, так как петля ФАПЧ не войдет в режим синхронизации при поступле­нии на вход сигнала, отличного от сигнала промежуточной частоты приемни­ка. Каскады ограничителя ИМС NE604 могут устойчиво работать до 21 МГц, сохраняя коэффициент усиления порядка 101 дБ. Уровень входного сигнала, при котором нормально работают каскады ограничителя NE604, составляет всего лишь 3 мВ (-92 дБм) на 50-омной нагрузке.

Настройка

После визуальной проверки собранного устройства в схему детектора подают напряжение питания +6 В. Ток потребления должен составлять около 10 мА. При установке переключателя SA3 "Детектор" в положение 2 на НЧ- выходе должен прослушиваться уровень собственных шумов. Затем, на­строив приемник на частоту сильной вещательной станции (работающей в диапазоне AM), устанавливают переключатели SA2 и SA3 в положение 1. При этом НЧ-сигнал на выходе устройства может иметь очень небольшой уровень. Вращая сердечник катушки L1, добиваются максимальной громко­сти аудиосигнала. Увеличение уровня аудиосигнала свидетельствует о нор­мальной работе опорного генератора. Если имеется возможность, следует замерить уровень сигнала опорного генератора с помощью осциллографа. Для этого щуп осциллографа подключают параллельно катушке L1. Ампли­туда сигнала должна составлять около 600 мВ. В случае необходимости ее можно корректировать подбором сопротивления резистора R2. Настройте как можно точнее приемник на любой сильный сигнал несущей частоты (не- модулированный), например сигнал радиомаяка. Вращая движок резистора R16 "Настройка ОГ’, добиваются напряжения на нем 2 В, при этом переклю­чатель SA1 должен находиться в положении 2 (величина расстройки ±0 кГц). Следует отметить это положение движка резистора R16, так как от него будет отсчитываться значение расстройки выше или ниже принимаемой час­тоты. Затем, используя диэлектрическую отвертку, подстраивают сердеч­ник катушки L1 до получения нулевых биений на НЧ-выходе (переключатель SA2 должен находиться в положении 1). При установке переключателя SA2 в положение 2 должен произойти захват несущей частоты петлей ФАПЧ. В случае необходимости добиваются максимального подавления несущей час­тоты с помощью резистора R12. Далее следует снова установить перекпю- чатель SA2 в положение 1; при этом частота опорного генератора должна совпадать с частотой поступающего на вход детектора сигнал (на НЧ-выходе должен "присутствовать" сигнал нулевых биений). На этом предварительная настройка детектора завершена.

Для проведения дальнейшей наладки детектора переключатель SA2 устанавливают в положение 2. После захвата петлей ФАПЧ несущей часто­ты, добиваются вращением движка резистора R12 минимума низкочастот­ного шипения на выходе детектора. (В случае отсутствия сильного немоду- лированного сигнала (несущей) в радиоэфире можно использовать любой генератор с высокой стабильностью частоты, например PLL-синтезатор, вы­дающий сигнал на частоте настройки приемника. Другой, менее желатель­ной альтернативой является использование АМ-сигнала с частотой модуля­ции 1 кГц. В этом случае подстройкой R12 добиваются на НЧ-выходе детек­тора сигнала с частотой 1 кГц). С завершением данного этапа настройки устройства фаза сигнала опорного генератора составляет 0/180°. При этом фазовый шум детектора минимален. На этом настройка синхронного детек­тора завершена.

Для проверки работы синхронного детектора сделайте следующее: ус­тановите движок резистора R16 "Настройка ОГ" в центральное положение (отмеченное при настройке); переключатель SA2 "Режим ОГ’ установите в положение 1, a SA1 в любое из трех положений (по желанию); настройте приемник на АМ-станцию по нулевым биениям несущей частоты (как можно точнее); подстройкой резистора R16 добейтесь нулевых биений на НЧ-выхо­де устройства; переключатель SA2 переведите в положение 2, при котором происходит захват несущей частоты системой ФАПЧ.

Изменяя положение переключателя SA3 "Детектор", можно оценить ра­боту синхронного детектора по сравнению с детектором огибающей. Особен­но заметна разница в приеме сигналов радиостанций при неблагоприятных условиях. Синхронный прием может давать значительный прирост силы сиг­нала на НЧ-выходе по сравнению с вариантом использования детектора оги­бающей.

Должным образом настроенный синхронный детектор имеет суммар­ный коэффициент нелинейных искажений менее 1%. Справедливости ради следует отметить, что квазисинхронный детектор обеспечивает аналогич­ные показатели в работе, однако только при подаче на его вход сигнала без значительных колебаний его уровня. Проведенные измерения также показа­ли важность тщательной настройки фазовращателя с помощью R12: при неточной настройке фазовращателя в выходном НЧ-сигнале возрастает уро­вень интермодуляционных составляющих низших порядков на 3…12 дБ, а также чувствительность детектора к фазовому шуму.

Квазисинхронное детектирование

Квазисинхронное детектирование во многом похоже на действие де­тектора огибающей сигнала (на основе обычного диода). Лучшие результаты получаются при его использовании с сигналами, уровень которых заметно не падает, как в случае приема SSB- и АМ-станций в условиях глубокого фединга. При снижении уровня входного сигнала уменьшается отношение несущая/шум (н/ш), снижая качество детектирования. Таким образом, в ус­ловиях низкого отношения н/ш, квазисинхронное детектирование показыва­ет значительно лучшие результаты (очень малое пороговое отношение н/ш, при котором обеспечивается нормальная работа детектора) по сравнению с детектором огибающей на диоде.

По материалам ARRL Handbook.

Статья опубликована в РЛ, №8,2002 г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты