Частотные детекторы

Частотные детекторы осуществляют преобразование частотно-модулированных электрических сигналов в сигналы с другими электрическими параметрами. Чаще всего частота преобразуется в напряжение. Такие детекторы называют преобразователями частота — напряжение (ПЧН).

Структурная схема преобразователя частота-напряжение 6.14

Прецизионные ПЧН обычно имеют структуру рис. 6.14, а. Работа их заключается в том, что электронный ключ подключает конденсатор С к источнику постоянного тока I с частотой преобразуемого сигнала f, причем длительность подключения t_n строго определенная и во много раз меньше длительности периода входного сигнала при наибольшей его частоте. В промежутках между подключениями источника тока конденсатор разряжается через резистор R, что исключает процесс непрерывного нарастания выходного напряжения. В установившемся режиме приращения зарядов на конденсаторе за время его разрядки и зарядки равны между собой, что позволяет записать уравнение баланса

где T= 1/f; t = RC.

При выполнении условия (Т— t _п)<,t членом, содержащим е^(Т-^t^п)/^t, можно пренебречь ввиду его малости и записать уравнение в виде

Отсюда следует, что крутизна преобразования зависит от емкости запоминающего конденсатора С тока I и длительности включения электронного ключа. Погрешности преобразования зависят от стабильности этих параметров. Для получения повышенной точности входной сигнал U_c обычно преобразуют в прямоугольные импульсы с помощью компаратора напряжений 1 (усилителя-ограничителя с большим коэффициентом усиления). Из них в блоке 2 формирования калиброванных по длительности импульсов получают сигналы, управляющие электронным ключом. В качестве блока 2 обычно применяют прецизионные одновибраторы. Данная структура использована в микросхеме 1108ПП1 при включении ее в схему ПЧН рис. 6.14, б. Конденсатор С и разрядный резистор R в ней навесные. Длительность t_n задается с помощью конденсатора С_п. При С = 20 пФ, С_п = 3600 пФ, R = 34 кОм крутизна преобразования в диапазоне 0—10 кГц равна 1 В/кГц. ПЧН можно использовать до частоты 500 кГц. На высоких частотах более нескольких сотен кГц частотные детекторы обычно выполняют с использованием резонансных LC-контуров. Фазовая характеристика параллельного LC-контура вблизи резонанса описывается уравнением

где Q —добротность контура; f₀ — резонансная частота; f— мгновенная частота; Dfр—полоса пропускания LC-контура, определенная на уровне 0,7; Df—девиация частоты, Df=f—f₀. Если на один вход перемножителя напряжений подать входной сигнал U_с (w, W), а на другой подать тот же сигнал через резонансный LC-контур, то фазовый сдвиг напряжений на входах перемножителя будет зависеть от частоты. Выходное напряжение перемножителя, на входе которого включен фильтр низких частот, определяется из уравнения:

U_ВЬ1Х = К₃ U_cU_оп cosf.

С учетом того, что Df<Dfр получим

Если Df меняется с частотой W, Df=Df_mcosWt, то

Таким образом, аналоговый перемножитель, у которого фаза напряжения на одном из входов зависит от частоты, работает как частотный детектор. В принципе можно применять и любые другие фазосдвигающие устройства. Однако в диапазоне высоких частот они дают меньшую стабильность фазового сдвига по сравнению с резонансными LC-контурами.

Рис. 6.15. Структура микросхемы 174УР3 (а) и ее включение частотным детектором (б).

Эта идея использована в частотных детекторах, выполненных на микросхеме 174УРЗ. Ее структурная схема приведена на рис. 6.15, а, а включение показано на рис. 6.15,6. Фазо-сдвигающий LC-контур подбирают исходя из требуемой резонансной частоты. Конденсатор С_ф выполняет роль фильтра низких частот. Наличие в микросхеме внутреннего усилителя-ограничителя позволяет устранить погрешности, связанные с нестабильностью уровней сигнала. Микросхема работает до частот в несколько десятков МГц (fm_ах40 МГц).