Детектор ЧМ-сигнала

Редактировал(а) Олег Григорьев 2025/12/19 16:15

Демодуляция ЧМ-сигнала. Частотный детектор на расстроенном контуре в SimOne

Тема: радиоприемные устройства / моделирование электронных схем
ПО: SimOne (SPICE-симулятор)

1. Введение

Разберем принцип работы частотного детектора на расстроенном контуре (Slope Detector). Это базовая схема, которая позволяет наглядно понять физику процесса демодуляции: преобразование изменений частоты в изменения напряжения.

Цель эксперимента: с помощью моделирования в среде SimOne увидеть, как частотно-модулированный (ЧМ) сигнал превращается в амплитудно-модулированный (АМ), а затем — в полезный звуковой сигнал.

2. Теоретическая база

Демодуляция в данной схеме происходит в два этапа:

  1. Преобразование ЧМ в АМ (FM-to-AM conversion).
        Мы пропускаем сигнал через колебательный контур, резонансная частота которого ($f_{res}$) специально расстроена (сдвинута) относительно несущей частоты сигнала ($f_{c}$).
  •   Мы работаем на линейном участке ската (склона) резонансной кривой.
  •   Если мгновенная частота сигнала растет, рабочая точка поднимается по склону резонанса $\rightarrow$ напряжение на контуре увеличивается.
  •   Если мгновенная частота падает, рабочая точка опускается вниз по склону $\rightarrow$ напряжение падает.
  • Итог: на выходе контура мы получаем сигнал, модулированный и по частоте, и по амплитуде.
  1. Амплитудное детектирование (Envelope detection).
        Классический диодный детектор срезает отрицательные полуволны, а RC-цепочка выделяет огибающую — полезный низкочастотный сигнал (звук).

3. Схема детектора в SimOne

Схема состоит из источника ЧМ-сигнала, преобразовательного контура (L1, C1, R1) и амплитудного детектора (D1, R2, C2).

1765648800028-674.png

 Рис. 1. Принципиальная схема частотного детектора в редакторе SimOne.
(Примечание: здесь должна быть картинка схемы. Слева источник V1, далее резистор связи R_src, параллельный контур L1-C1-R_Q, диод D1 и выходная RC-цепочка R_load-C_filter)

Параметры компонентов:

  • V1 (Источник): SFFM (Offset=0, Ampl=1V, Carrier=1MHz, ModIndex=5, Signal=10kHz). Важно: для АЧХ добавить параметр AC Magnitude = 1.
  • R_src: 1 кОм (внутреннее сопротивление источника).
  • L1: 100 мкГн.
  • C1: 220 пФ (настройка контура на $f_{res} \approx 1.07$ МГц).
  • R_Q: 2 кОм (шунт для снижения добротности и линеаризации ската).
  • D1: Диод 1N4148 (или модель D(Is=1n N=1)).
  • R_load: 5 кОм.
  • C_filter: 2 нФ (ФНЧ с частотой среза $\approx 16$ кГц).

4. Этап 1: Анализ частотной характеристики (AC Analysis)

Прежде чем смотреть демодуляцию во времени, нам нужно убедиться, что мы правильно настроили "скат". Нам нужно увидеть АЧХ (амплитудно-частотную характеристику) контура.

Настройка симуляции AC Sweep

В меню Моделирование -> Параметры выбираем вкладку AC:

  • Type: Linear (Линейный).
  • Number of points: 1000.
  • Start Frequency: 800k (0.8 МГц).
  • Stop Frequency: 1.3Meg (1.3 МГц).

Анализ графика АЧХ

Запускаем симуляцию. На графике напряжения узла Tank (на контуре) мы видим резонансный "колокол".

1765648813644-871.png

 Рис. 2. Резонансная кривая контура. Маркеры показывают положение несущей частоты.

Интерпретация:

  1.  Пик резонанса находится на частоте 1.073 МГц.
  2.  Наша несущая частота (1 МГц) находится на левом склоне.
  3. Принцип работы: когда ЧМ-сигнал отклоняется вправо (частота растет к 1.05 МГц), он "лезет в гору", и напряжение растет. Когда частота падает (к 0.95 МГц), напряжение падает.

5. Этап 2: Временной анализ (Transient Analysis)

Теперь посмотрим, как это работает с реальным сигналом во времени.

Настройка симуляции Transient

В меню Моделирование -> Параметры выбираем вкладку Transient:

  • Stop Time: 500u (500 мкс — это 5 периодов звуковой частоты 10 кГц).
  • Max Time Step: 100n (шаг должен быть достаточно мал, чтобы прорисовать несущую 1 МГц).

Анализ осциллограмм

Запускаем симуляцию и расставляем пробники в три точки: вход, контур, выход.

1765648822714-677.png

 Рис. 3. Временные диаграммы работы детектора.
 В узле  входной ЧМ сигнал (амплитуда постоянна, частота меняется). Далее
 Сигнал Tank на контуре (красный). Видно появление АМ-модуляции (изменение амплитуды) из-за работы на скате АЧХ.
 Снизу (синий): демодулированный сигнал Audio_Out  (выделенная огибающая 10 кГц).

Что мы наблюдаем:

  1. V(Tank): высокочастотный сигнал приобрел амплитудную модуляцию. Это прямое следствие того, что мы увидели на графике АЧХ (движение по склону).
  2. V(Audio_Out): огибающая выделена. Мы видим синусоиду 10 кГц. Она немного искажена ("пилообразна") и смещена вверх из-за работы диода, но частота и форма исходного сообщения восстановлены.

6. Итоговый Netlist для SimOne

Код ниже можно скопировать прямо в текстовый редактор SimOne для мгновенного воссоздания эксперимента или открыть приложенный к статье файл проекта ЧМ-детектор.ssch. 

* FM Demodulator - Slope Detector Lesson
* Копировать в SimOne -> Файл -> Создать -> Нетлист

* --- ИСТОЧНИК ---
* SFFM параметры: (Offset Ampl Carrier ModIndex SignalFreq)
* AC 1 - для частотного анализа
V1 FM_Input 0 SFFM(0 1 1Meg 5 10k) AC 1
R_src FM_Input Tank 1k

* --- КОНТУР (Скат) ---
* Настроен на ~1.07 МГц
L1 Tank 0 100u
C1 Tank 0 220p
R_Q Tank 0 2k ; Снижение добротности для линейности

* --- ДЕТЕКТОР ---
D1 Tank Audio_Out DMOD
.model DMOD D(Is=1n N=1) ; Идеализированный диод
R_Load Audio_Out 0 5k
C_Filter Audio_Out 0 2n

* --- КОМАНДЫ ---
* 1. АЧХ (Снять комментарий для запуска)
* .ac lin 1000 800k 1.3Meg

* 2. Переходный процесс (Активен)
.tran 100n 500u

.end

7. Домашнее задание

Эксперимент
 Измените емкость конденсатора C1 с 220pF на 253pF в симуляторе.

Вопрос:
 1. Куда сместится пик резонанса на графике AC Analysis? (Подсказка: $f = 1 / (2\pi\sqrt{LC})$).
 2. Как изменится форма демодулированного сигнала V(Audio_Out) во временном анализе?

Ожидаемый результат: контур настроится ровно на 1 МГц. Рабочая точка окажется на вершине "колокола". При отклонении частоты и влево, и вправо напряжение будет падать. Это приведет к сильным искажениям (эффект удвоения частоты на выходе), что доказывает необходимость расстройки контура.