ЧМ детекторы с фазовой автоподстройкой частоты

Одно из интересных применений фазовой автоподстройки частоты — детектирование частотно-модулированных колебаний. Особый интерес вызывает использование детекторов с ФАПЧ в аппаратуре для приема УКВ ЧМ

вещания и звукового сопровождения программ телевидения, где подобные устройства позволяют достичь высоких результатов относительно несложными средствами.

Наиболее просто ЧМ детектор с ФАПЧ реализуется при использовании в тракте промежуточной частоты интегральной микросхемы К174УР1.

Принципиальная схема тракта ПЧ приемника ЧМ сигналов на такой микросхеме, предложенная Б. Павловым из Львова, приведена на рис. 3.1. Устройство имеет следующие характеристики: промежуточная частота — 6,5 МГц, собственная нестабильность частоты гетеродина — 35 кГц в интервале температур 10—30°С, выходное напряжение — 25 мВ при девиации частоты 15 кГц, выходное сопротивление — около 5 кОм.

С выхода УКВ блока или видеоусилителя сигнал промежуточной частоты поступает на фильтр сосредоточенной селекции ЫС1Ь2С313С5 и затем на вход интегральной микросхемы А1. В нее входят усилитель ПЧ, фазовый детектор и стабилизатор по цепям питания микросхемы. Гетеродин выполнен на микросхеме АЗ. Его колебательный контур образован катушкой индуктивности Ь5 и стабилитронами Д1 и Д2, выполняющими функции варикапов. Стабильность амплитуды колебаний гетеродина обеспечивается ограничителем на диодах ДЗ и Д4. На микросборке А2 собраны два эмиттерных повторителя. С одного из них выходное напряжение через пропорционально-интегрирующий фильтр ЯЗС9С10 подается на диоды Д1 и Д2. Со второго эмиттерного повторителя (его нагрузкой служит резистор Я4) низкочастотный сигнал через корректирующую цепочку Я5С13 поступает на выход устройства. Конденсатор С8 устраняет сигнал ПЧ на входах эмиттерных повторителей. Напряжение смещения для эмиттерных повторителей поступает с интегральной микросхемы А1. Это же напряжение используется и для создания постоянного смещения на диодах Д1 и Д2.

Настройку тракта ПЧ начинают с фильтра сосредоточенной селекции по прибору XI-7. При этом напряжение с генератора качающейся частоты подают на вход блока, а детекторную головку подключают к верхнему по схеме выводу катушки 1А. Затем генератор подключают параллельно катушке ЬЗ, а низкочастотный вход прибора Х1-7—к выходу детектора. Контур Ь5Д1Д2 настраивают на промежуточную частоту по нулю дискриминаторной характеристики. Полоса удержания (примерно 240 кГц) устанавливается резистором Я1.

В отсутствие интегральной микросхемы К174УР1 систему ФАПЧ можно выполнить на дискретных элементах. Тракт ПЧ УКВ ЧМ приемника москвича Л. Чудновского (рис. 3.2) может работать на промежуточных частотах 6,8 и 10,7 МГц. Заметим, что последняя промежуточная частота предпочтительнее, поскольку гармоники гетеродина не попадают в этом случае в полосу принимаемых частот и захват приемника «на себя» сводится тем самым к минимуму. Выходное напряжение тракта около 10 мВ, а выходное сопротивление— 100 Ом и 8,2 кОм (на разных выходах).

Усилитель ПЧ выполнен на интегральной микросхеме А1. Усиленный сигнал выделяется на широкополосном контуре ЫС6, ограничивается диодами Д1, Д2 и поступает на вход ЧМ детектора с ФАПЧ, выполненного на транзисторах Т2—Т4. Гетеродин, собранный на транзисторах Т6—Т9 представляет собой /?С-генератор, частота которого определяется элементами ЯП, С11 и сопротивлением канала полевого транзистора Т9.

С выхода фазового детектора сигнал поступает на эмиттерный повторитель на транзисторе Т5. Конденсатор С7 ограничивает полосу пропускания устройства — она не превышает 64 кГц. С одного из выходов (Выход 1) сигнал поступает на стереодекодер, а с другого— через интегрирующую цепочку Я6С10 на усилитель низкой частоты (моносигнал). На управляемый элемент генератора сигнал поступает с движка под-строечного резистора Я5.

Напряжение питания интегральной микросхемы А1 и базовых цепей двух транзисторов фазового детектора стабилизировано. Узел стабилизатора выполнен на транзисторе Т1 и стабилитроне ДЗ.

Катушка Н намотана на полистироловом каркасе диаметром 8 мм. Она имеет подстроечный сердечник СЦР-1 и содержит 8,5 витков провода ПЭЛ 0,3. Отвод от середины, указанная на схеме емкость конденсатора Сб соответствует промежуточной частоте 6,8 МГц. При промежуточной частоте 10,7 МГц её следует уменьшить до 160 пФ. При налаживании устройства среднюю частоту генерации устанавливают подстроечным конденсатором СП, а требуемую полосу захвата — резистором 85.

Поскольку в супергетеродинных УКВ ЧМ приемниках необходимая чувствительность и селективность обеспечивается каскадами усиления ПЧ и фильтрами, то при разработке ЧМ детекторов с ФАПЧ основное внимание уделяется таким характеристикам, как малые нелинейные искажения, а сам детектор может быть весьма простым. Именно такой детектор разработал москвич В. Поляков (рис. 3.3). Он собран на одной гибридной микросхеме, но, поскольку она содержит всего три транзистора и несколько резисторов, то детектор можно выполнить и на транзисторных микросборках или даже на дискретных элементах. Интегральная микросхема А1 работает здесь одновременно как фазовый детектор, гетеродин и усилитель постоянного тока. Кремниевые диоды Д1 и Д2, включенные встречно-параллельно, ограничивают амплитуду входного сигнала. Гетеродин собран по схеме «емкостной трехточки» на токозадающем транзисторе интегральной микросхемы. Колебательный контур гетеродина образован катушкой индуктивности ЬЗ, конденсаторами СЗ и С4, а также варикапами ДЗ и Д4. Два верхних транзистора интегральной микросхемы образуют фазовый детектор и усилитель постоянного тока. Пропорционально-интегрирующий фильтр состоит из резистора в цепи коллектора правого верхнего по схеме транзистора микросхемы (примерно 680 Ом) и цепочки ШС2.

Через развязывающий резистор К2 отфильтрованное напряжение поступает на варикапы ДЗ и Д4, управляющие частотой гетеродина. Это же напряжение используется как выходное и поступает на стереодеко-дер или ус&лтълъ НЧ. В последнем случае на выходе детектора включается цепочка стандартной коррекции. Выходное напряжение можно снять и с другого транзистора дифференциальной пары. Питание интегральной микросхемы—-двухполярный источник напряжением ±6,8 В.

Катушки Ы и ЬЗ использованы от контуров ПЧ трактов ЧМ приемников заводского изготовления. Число витков катушки связи Ь2 должно быть примерно в три раза меньше числа витков катушки Ь1.

Как уже отмечалось выше, наиболее подходящей является промежуточная частота 10,7 МГц. Однако при любой промежуточной частоте следует обеспечить хорошую экранировку детектора и его развязку от других каскадов по цепям питания. Это позволяет избежать появления комбинационных помех из-за биения сигналов двух гетеродинов. Полоса удержания детектора ±0,4 МГц при амплитуде входного сигнала на выводе 1 микросхемы около 0,1 В.

Устройства, о которых было рассказано выше, предназначены для супергетеродинных приемников. Однако на основе ЧМ детектора с ФАПЧ можно создать весьма простой приемник прямого преобразования, обеспечивающий уверенный прием местных станций.

При разработке подобных приемников приходится искать компромиссные решения, обеспечивающие одновременно хорошую избирательность и большой динамический диапазон. Одно из оптимальных решений, удовлетворяющих этим требованиям, предложено москви-чем В. Поляковым. Он применил в УКВ ЧМ приемнике прямого преобразования систему ФАПЧ с линейной характеристикой фильтра в петле ФАПЧ. Такой фильтр должен иметь крутизну примерно 10—14 дБ на декаду. Его можно реализовать, применяя каскадное соединение пропорционально-интегрирующих цепочек (рис. 3.4). Частотная характеристика такого фильтра имеет ступенчатую форму (рис. 3.5). Но при небольшом шаге (отношение частот среза цепочек) резких изломов АЧХ не будет, поскольку на самом деле /?С-звенья создают плавную «скругленную» характеристику.

Принципиальная схема УКВ ЧМ приемника прямого преобразования с подобным фильтром приведена на рис. 3.6. Сигнал с антенны или с выхода усилителя ВЧ поступает на широкополосный контур ЫС1, настроенный на среднюю частоту УКВ ЧМ диапазона 66— 74 МГц. Смеситель выполнен на встречно-параллельных диодах Д1 и Д2, что позволяет использовать гетеродин, работающий на частоте в два раза ниже, чем принимаемая. Гетеродин собран на транзисторе Т1. Варикапы ДЗ и Д4 служат соответственно для настройки приемника и подстройки гетеродина управляющим сигналом петли ФАПЧ. Настройку приемника осуществляют переменным резистором К12. Сигнал с гетеродина поступает на диоды смесителя через конденсаторы С2 и СЗ. Подстроечный резистор предназначен для балансировки усилителя постоянного тока, который выполнен на операционном усилителе А1. Лестничный фильтр, образованный резистором КЗ и цепочками Ц5С8, %6С9 и Я7С10, включен в цепь обратной связи. Частота среза первого звена фильтра выбрана из условий получения полосы пропускания 12,5 кГц и полосы удержания 50 кГц при минимальном сигнале. Линейная характеристика фильтра аппроксимирована двумя ступеньками с 10-кратным шагом по частоте. Это обеспечивает протяженность характеристики 60 дБ по частоте и 90 дБ по амплитуде. В зависимости от параметров паразитных элементов диапазон допустимых входных сигналов детектора с таким фильтром может достигать 60 дБ. На выходе детектора включена цепочка ЯЮС13 стандартной коррекции предыскажений.

Катушки Ы и Ь2 содержат соответственно 5 и 8 витков провода ПЭЛ 0,8 на каркасах диаметром 8 мм с подстроечником СЦР-1 из карбониального железа. Отводы от 2-го витка (считая от «холодного»), соединенного по высокой частоте с общим проводом конца катушки. Катушка ЬЗ содержит два витка провода ПЭЛШО 0,2, намотанного поверх катушки Ь2.

Налаживание детектора начинают с настройки резонансных контуров на рабочие частоты и проверки гетеродина по перекрытию требуемого диапазона частот при вращении ручки переменного резистора #12. Операционный усилитель балансируют резистором №1: постоянное напряжение на выходе ОУ по отношению к. общему проводу должно быть близко к нулю. Следует также установить оптимальную связь гетеродина со смесителем, подобрав конденсаторы С2 и СЗ или число витков катушки ЬЗ. Обратная связь в гетеродине должка быть минимально необходимой для возбуждения колебаний Требуемую глубину обратной связи устанавливают, перемещая отвод катушки Ь2 ближе к «плодному» концу катушки. Это приводит к уменьшению второй гармоники в сигнале гетеродина и, как следствие, к уменьшению разбаланса ОУ при перестройке гетеродина по диапазону.

Данный УКВ ЧМ приемник (без усилителя высокой частоты) имеет чувствительность при приеме монофонического сигнала около 200 мкВ, что вполне достаточно для приема не очень удаленных станций на простые (в том числе и комнатные) антенны. Максимально допустимый уровень входного сигнала — около 100 мВ. Выходное напряжение звуковых частот — примерно 50 мВ.