HF Diode detector / AM demodulator

Terug naar de index

Het volgende ontwerp is een hoogfrequent diode detector, je kunt er de amplitude van een hoogfrequent signaal mee meten.
Tevens werkt het circuit als AM demodulator.

Je kunt de schakeling bijvoorbeeld gebruiken om:
- De spanning over een LC kring te meten bij het bepalen van de Q factor, de diode detector vervangt dan de oscilloscoop die anders wordt gebruikt om de spanning over de LC kring te meten.
- De ontvangststerkte te meten van stations op je kristal ontvanger, en ook de audio van die stations te beluisteren.


Afbeelding 1: schema van de hoogfrequent diode detector met audio versterker.

Korte schema beschrijving:
Diodes D1 en D2 richten het hoogfrequent ingangssignaal gelijk.
Op-amp IC1 is als verschilversterker geschakeld, de functie daarvan wordt later in dit artikel uitgelegd.
Diodes D3 en D4 zijn onderdeel van een compensatie circuit, om te compenseren voor de spanningsval over de diodes D1 en D2.
Hierdoor wordt de meetfout bij lage ingangsspanningen sterk verminderd.

Er is een DC uitgang (connectors CN3 en CN4) aanwezig waarop een voltmeter kan worden aangesloten, om de amplitude (piekwaarde) van het ingangssignaal te meten.
De detector uitgang (CN2) kan aangesloten worden op een oscilloscoop, om het gedemoduleerde AM signaal te bekijken.

Met op-amp IC2 is een audio versterker gemaakt, waarmee het gedemoduleerde AM signaal via een hoofdtelefoon (aangesloten op CN7) beluisterd kan worden.
Via een schakelaar (SW1) kan de ingang van de audio versterker ook naar een externe audio ingang (CN5 en CN6) worden geschakeld, dus het versterker deel is universeel bruikbaar, en niet noodzakelijk alleen samen met de diode detector.
 

Afbeelding 2: het schema van het voedingscircuit voor de diode detector.

De DC voedingsspanning voor het circuit mag tussen 7 en 28 volt liggen.
Deze spanning vormt de voedingspanning V+ voor de twee op-amps (zie schema in afbeelding 1).
Er is voor op-amp IC1 ook een kleine negatieve voedingsspanning nodig.
Deze wordt gemaakt met een LM317 regulator (deze verlaagt voedingsspanning tot 4,4 Volt), en een ICL7660S converter, welke de +4,4 volt omzet naar -4,4 volt.

De rode LED wordt in de behuizing van de diode detector gemonteerd, en vormt de "aan" indicator.
Het stroomverbruik van de diode detector is 15 mA bij 12 Volt voedingspanning.

Afbeelding 3: de diode detector in een aluminium behuizing van 145x95x50 mm.

Aan de rechterzijde zijn de connectors voor de hoogfrequent ingang (CN1), en audio in (CN5 en CN6).
Aan de linkerzijde de detector uitgang (CN2), en de uitgang voor de voltmeter (CN3 en CN4).
Aan de onderzijde (van afbeelding 3) de aansluiting voor de hoofdtelefoon, en de voedingsspanning.

Afbeelding  4: spanning op detector uitgang en DC uitgang bij een AM gemoduleerd ingangssignaal.

In afbeelding 4 zien we een AM gemoduleerd ingangssignaal met de uitgangssignalen uit de diode detector, zoals deze in theorie zouden moeten zijn.
Op de DC uitgang staat een gelijkspanning welke de amplitude van de draaggolf weergeeft, waarbij het niet uitmaakt of de draaggolf gemoduleerd is of niet.
De draaggolf amplitude is in dit geval 1 volt.
De spanning op de detector uitgang volgt de vorm van de modulatie.
De spanningen op zowel de detector uitgang als de DC uitgang zijn altijd positief.
Als het ingangssignaal niet is gemoduleerd, staat op de detector uitgang en de DC uitgang een gelijkspanning welke gelijk is aan de piek waarde van het ingangssignaal.

Ontwerp overwegingen voor de diode detector.

Hieronder enkele stappen in de ontwikkeling van de diode detector.
Ik wilde een diode detector maken welke nauwkeurig de amplitude van een hoogfrequent signaal kan meten.
De detector moet tevens snel genoeg zijn om de audio van een gemoduleerd AM signaal te kunnen detecteren.

Afbeelding 5 : een zeer eenvoudige diode detector.

De detector in afbeelding 5 detecteert de piekspanning van het inkomende hoogfrequent signaal.
Als diode ga ik een BAT62-03W gebruiken.
Deze Schottky diode heeft de volgende eigenschappen:
- Sperspanning maximaal: 40 Volt, dat is voldoende voor deze toepassing.
- Diode capaciteit: 0,35 pF bij 0 Volt diode spanning, dat is een mooie lage waarde.
- Bruikbaar tot minstens 1 GHz.
- Diode weerstand: 225 kΩ, hoe lager de diode weerstand, hoe gevoeliger de detector is bij lage ingangsspanningen.
Een lage diodeweerstand geeft echter ook een lage ingangsweerstand van de detector (vooral bij lage ingangsspanning).

Om een gevoelige en nauwkeurige detector te krijgen, met weinig spanningsval over de diode, moet de stroom door de diode erg laag gehouden worden.
Daarom moet de weerstand (zie afbeelding 5) een hoge waarde hebben, minstens enkele Mega-Ohm.
Neem als weerstandwaarde bijvoorbeeld 2,2 MΩ, en de condensator 15 pF.
De detector in afbeelding 5 is dan prima geschikt voor het demoduleren van AM signalen, op de uitgang van de detector komt het gedemoduleerde audiosignaal met een bandbreedte van 0 - 4700 Hz.
Als de condensator een hogere waarde heeft, worden de hoge audio frequenties teveel gedempt.

Het schema in afbeelding 5 heeft één groot nadeel: elke gelijkspanning op het ingangsignaal zal zichtbaar worden op het uitgangssignaal.
Omdat ik alleen de amplitude van het hoogfrequent signaal wil meten, zullen we de gelijkspanning op een of andere manier moeten wegwerken.
 

Het volgende schema heeft een ingangscondensator welke gelijkspanning aan de ingang tegenhoudt.

Afbeelding 6 : condensator C1 houdt hier de gelijkspanning van het ingangssignaal tegen.

De uitgangsspanning is tweemaal de piekspanning van het ingangssignaal.
In feite verliezen we ook tweemaal de spanningsval over de diodes, maar voorlopig doen we even alsof de diodes geen spanningverlies geven.

De waarde van ingangscondensator C1 zal vrij groot moeten zijn, b.v. enkele honderden pF, omdat:
Reden 1:
C1 samen met de capaciteit van de diodes een capacitieve spanningsdeler vormt.
Als diodes D1 en D2 samen een capaciteit hebben van bijvoorbeeld 1 pF, en we willen over C1 maximaal 1% signaal verliezen, dan zal C1 al minimaal 100 pF moeten zijn.

Reden 2:
De diodes hebben bij nul volt een bepaalde diodeweerstand, bij de toegepaste BAT62-03W diode is dat 225 kΩ.
Voor het hoogfrequent signaal staan de diodeweerstanden van D1 en D2 parallel, en komen we op 112,5 kΩ.
C1 vormt samen met deze weerstand een hoogdoorlaat filter.
Als we bijvoorbeeld hoogfrequent signalen vanaf 10 kHz willen meten, zal C1 minstens 150 pF moeten zijn.

Het circuit in afbeelding 6 is goed geschikt om een hoogfrequent signaal met constante amplitude te meten.
Als er een hoogfrequent signaal wordt gemeten, zal condensator C2 opladen, maar ook C1 zal opladen.
Als we een AM gemoduleerd signaal willen detecteren zal de lading in C1 echter ook steeds moeten ontladen door R1, dit zal de bandbreedte van het audiosignaal sterk verlagen.
Dit circuit is niet erg geschikt om audio de detecteren, omdat de bandbreedte van het audiosignaal teveel beperkt wordt, vanwege de hoge capaciteit van C1.

We gaan weer een stapje verder in de ontwikkeling van onze detector.

Afbeelding 7.
Bij dit circuit wordt condensator C1 nooit opgeladen door het hoogfrequent ingangssignaal, over weerstand R1 staat altijd 0 volt DC.
De bandbreedte van het gedetecteerde audiosignaal is alleen afhankelijk van de waarden van R2 en C2 (welke gelijk zijn aan R3 en C3).
De waarde van C1 is niet meer van belang voor de bandbreedte van het audiosignaal.
Met dit circuit kunnen we een hoge bandbreedte van het gedetecteerde audiosignaal bereiken.
Via een buffer versterker met zeer hoge ingangsweerstand meten we de piek amplitude Vp van het ingangssignaal.
Met het signaal -Vp doen we niets.

Het volgende probleem is de rimpelspanning op het uitgangssignaal bij zeer lage ingangsfrequenties.
Als de draaggolf frequentie van het (hoogfrequent) ingangssignaal erg laag wordt, bijvoorbeeld 10 kHz, zal de combinatie C2, R2 die frequentie niet meer goed weg kunnen filteren.
En krijgen we een rimpelspanning van 10 kHz te zien op het gedetecteerde signaal, welke bij het beluisteren van het gedemoduleerde audio ook hoorbaar is.
We kunnen dit effect verminderen door een positieve en negatieve piekdetector te gebruiken, en de uitgangssignalen ervan van elkaar af te trekken.
Het volgende schema laat zien wat ik bedoel.

Afbeelding 8:  de signalen Vp en -Vp worden met een verschilversterker met versterkingsfactor 1 van elkaar afgetrokken.
Het resultaat is, dat we een gelijkspanning krijgen welke gelijk is aan 2Vp, dus twee maal zoveel als eerst.
De amplitude van de rimpelspanning zal echter vrijwel gelijk blijven.
De frequentie van de rimpelspanning verdubbelt ook, waardoor hij makkelijker is weg te filteren.
De volgende grafiek laat de signalen in dit circuit zien bij een lage draaggolf frequentie.


Afbeelding 9: de ingangs- en uitgangssignalen van de verschilversterker uit afbeelding 8.

Afbeelding 10: dezelfde signalen als in afbeelding 9, maar nu bij een hogere ingangsfrequentie.
De uitgangsspanning van de verschilversterker (groene lijn) nadert 2 maal de piekwaarde van het ingangssignaal.

Zoals we in afbeelding 8 zagen hebben we dus een verschilversterker nodig.
Het volgende schema laat zien hoe zo'n ding met een op-amp gemaakt kan worden.

Afbeelding 11: verschilversterker met een versterking van 1x.
De ingangsweerstand voor het +Vp signaal is (R1+R2=) 2,2 MΩ.
De ingangsweerstand voor het -Vp signaal is ook 2,2 MΩ.
Omdat over weerstand R3 (3,3 MΩ) een spanning staat van 1,5 Vp, loopt er door R3 evenveel stroom als door R1 en R2.

 

Afbeelding 12: de verschilversterker is toegevoegd aan het detector circuit.
Tevens is nog een extra filter toegevoegd, met een impedantie van 2,2 MΩ.
Dit filter zorgt voor een extra onderdrukking van rimpelspanning bij lage ingangsfrequenties, en vermindert de uitgangsspanning van de verschilversterker tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde.
Het resultaat is:
- Beide diodes worden belast met 4,4 MΩ.
- De uitgangsspanning van de op-amp is gelijk aan de piekspanning van het ingangssignaal.

We hebben nu dus een detector met:
- Blokkering van gelijkspanning aan de ingang.
- Een grote gevoeligheid.
- Groot frequentiebereik voor het  ingangssignaal.
- Grote bandbreedte van het gedetecteerde audiosignaal.
- Hoge onderdrukking van de draaggolf frequentie aan de detector uitgang.

Compensatie voor spanningsverlies diodes
Tot nu toe gingen we er vanuit dat de diodes in de detector geen spanningsverlies geven, in de praktijk geven diodes echter wel spanningverlies.
De uitgangsspanning van de verschilversterker zal dan ook lager zijn dan de piekwaarde van het ingangssignaal.
We gaan nu compenseren voor dit spanningsverlies, door het toevoegen van twee diodes aan de verschilversterker.

Hier een gedeelte uit het schema van de diode detector uit afbeelding 1.

Afbeelding 13: een gedeelte uit het schema van afbeelding 1

We herkennen in dit schema alle besproken onderdelen uit afbeelding 12.
De diodes D3 en D4 en weerstanden R10 en R11 vormen het compensatie circuit, en tellen een bepaalde spanning op, bij de uitgang van de verschilversterker.
Weerstand R10 (82 kΩ) zorgt voor wat extra stroom door de diodes, waardoor de spanningscompensatie zo goed als mogelijk de juiste waarde krijgt.
Met potmeter P2 is de uitgang van de op-amp precies op 0,000 volt af te regelen, bij geen ingangssignaal.
Voor een hoge meetnauwkeurigheid moeten de weerstanden R2 ...R9 een tolerantie hebben van 1% (of minder).


Meetnauwkeurigheid

Afbeelding 14: Meetfout zonder compensatie (blauwe lijn), en met compensatie voor het spanningsverlies van de diodes (rode lijn) .

We zien in afbeelding 14 dat de meetfout door het aanbrengen van compensatiecircuit D3/D4 sterk afneemt.
Bij een ingangsspanning tussen 0,1 en 20 volt (piek) is de meetfout hooguit enkele procenten.

De maximale ingangsspanning voor deze diode detector is 20 volt (piek), de sperspanning over diodes D1 en D2 bedraagt dan 40 volt, wat het maximaal toelaatbare is.
De voedingsspanning van de diode detector moet minstens 3 volt hoger zijn dan de piekspanning welke we willen meten.

Als je de meetnauwkeurigheid van de diode detector (de rode lijn in afbeelding 14) nog niet hoog genoeg vindt, kun je de gemeten spanning aan de DC uitgang ook nog vermenigvuldigen met een correctie factor.
Het resultaat geeft dan de ingangsspanning van de diode detector met een nog hogere nauwkeurigheid.
 

Afbeelding 15: correctiefactor voor het bepalen van de ingangsspanning van de diode detector.
 

Afbeelding 16: nogmaals de correctiefactor, hier is een gedeelte van de grafiek uit afbeelding 15 uitvergroot.

Voorbeeld:
We meten 0,2 volt op de DC uitgang.
De correctiefactor is 0,98
De ingangsspanning van de diode detector is dan 0,2 x 0,98 = 0,196 volt piek.

De waarden van de correctie factor uit afbeelding 15 en 16 zijn geldig voor de diode detector welke ik heb gebouwd.
Voor andere gebouwde exemplaren zal de exacte correctie factor door metingen opnieuw bepaald moeten worden.

Demodulatie

Op de volgende foto's is het gedemoduleerde audiosignaal te zien op de detector uitgang.
De draaggolf frequentie was steeds 500 kHz, het modulatiesignaal 1 kHz sinus, bij een modulatiediepte van 100%.
Van de draaggolf amplitude is steeds de piekwaarde genoemd (niet de effectieve waarde).

Afbeelding 17: gedemoduleerd signaal bij draaggolf amplitude = 1 volt.
Het ingangssignaal is hier hetzelfde als weergegeven in figuur 4.

Afbeelding 18: gedemoduleerd signaal bij draaggolf amplitude = 100 mV.
De onderzijde van de sinus vorm is een klein beetje vervormd.

Afbeelding 19: gedemoduleerd signaal bij draaggolf amplitude = 10 mV.
Het gedemoduleerde signaal is vervormd, te laag in amplitude (het zou tot 20 mV moeten reiken) en voorzien van ruis.
Desalniettemin is dit signaal nog goed te beluisteren via een hoofdtelefoon.

De amplitude van de draaggolf kan verlaagd worden tot ongeveer 2  mV voordat het gedemoduleerde signaal niet meer te horen is via een hoofdtelefoon.
 

Demoduleren bij lage draaggolf frequentie

Als de frequentie van de draaggolf erg laag wordt, kan de draaggolf het gedemoduleerde audiosignaal gaan vervormen.
De volgende foto geeft daar een voorbeeld van.

Afbeelding 20: de draaggolf is zichtbaar in het audio uitgangssignaal.
Draaggolf frequentie = 20 kHz
Draaggolf amplitude = 1 volt
Modulatie = 1 kHz 100%


Frequentiebereik van de hoogfrequent ingang.

Het ingangs frequentiebereik van de diode detector is erg breed.
De laagste frequentie (-3 dB punt) is ongeveer 15 kHz.
De gelijkricht diodes D1 en D2 (BAT62-03W) zouden voor hoge frequenties bruikbaar moeten zijn tot minstens 1 GHz.
Maar het bleek moeilijk te zijn om te controleren of dit echt zo is.
De volgende grafieken geven de gemeten amplitude weer van het hoogfrequent ingangssignaal, bij het gebruik van verschillende signaalgenerators.

Afbeelding 21: gemeten uitgangsspanning van twee signaalgenerators.

Het gemeten signaal uit de DDS generator neemt boven de 10 MHz sterk af, dat is waarschijnlijk te wijten aan de DDS generator zelf, en niet aan de diode detector welke de amplitude meet.
Meer informatie over de gebruikte DDS generator vind je hier onder "meetopstelling 4".

Afbeelding 22: gemeten uitgangsspanning van een VHF / UHF signaalgenerator.

In ieder geval lijkt de frequentie respons van de diode detector redelijk constant tot enkele honderden MHz.
De grafiek in afbeelding 22 loopt bij hogere frequenties op, of dat aan de signaal generator of aan de diode detector ligt weet ik niet.
 

Bandbreedte van het audio signaal

De volgende grafiek geeft de audio frequentie respons weer van de diode detector als we hem gebruiken als AM demodulator.

Afbeelding 23: audio bandbreedte gemeten aan de detector uitgang (CN2).

De bandbreedte (-3 dB) aan de detector uitgang is 0-5000 Hz.
Hogere audio frequenties worden door AM zenders niet uitgezonden, dus er is ook geen grotere bandbreedte nodig.
 

Afbeelding 24: frequentiebereik van de audio versterker.

De bandbreedte van de audio versterker is ongeveer 25 - 15000 Hz.
De piek bij 40 Hz wordt veroorzaakt door de audiotransformator.
 

Ingangsweerstand.

De ingangsweerstand van de diode detector zou minimaal zo'n 100 kΩ moeten bedragen.
Bepaald door de diode weerstand van D1 en D2 en de weerstandwaarde van R1.
Nu is 100 kΩ een nogal lage waarde om direct op een kristal ontvanger aan te sluiten, in dat geval kunnen we beter een FET versterker tussen de ontvanger en de diode detector schakelen.

De ingangsweerstand kunnen we ook verlagen door een bepaalde weerstand parallel aan de ingang te plaatsen.
Onderstaande foto laat dit zien, een 50Ω afsluitweerstand staat parallel aan de ingang van de diode detector, zodat een 50Ω coaxkabel correct wordt afgesloten.

Afbeelding 25: een 50Ω afsluitweerstand (connector met het blauwe dopje) zorgt voor een correcte afsluiting van de 50Ω coaxkabel.
 

Audio opname.

Als experiment heb ik met behulp van de diode detector een audio opname gemaakt van mijn detector unit1 .

Afbeelding 26: de componenten voor het maken van de audio opname.

Op detector unit 1 is geen antenne aangesloten, de spoel in de unit werkt als kleine raamantenne, en ontvangt het radiosignaal.
Door het gebruik van de FET versterker wordt de detector unit 1 niet belast, en wordt zijn Q factor niet verlaagd.
De FET versterker en diode detector worden gevoed uit een 12 V batterij.
In eerste instantie heb ik geprobeerd om de audio direct met mijn PC op te nemen, maar dat veroorzaakte veel storing.
Daarom neem ik de audio nu eerst op met een Minidisc recorder, en zet dit later over naar de PC.
De uitgang van de voeding voor de recorder moest ik ook met aarde verbinden om storing vanuit het lichtnet te voorkomen.

In de audio opname zijn twee stations te horen.
De eerste minuut is Groot Nieuws Radio te horen.
Frequentie: 1008 kHz.
Zendvermogen: 100 kW.
Afstand: 41 km.
Spanning op de DC uitgang van de diode detector: 510 mV.

Daarna stemde ik af op de zender Talk Sport (het duurde 15 seconden voordat er nauwkeurig was afgestemd).
Frequentie: 1053 kHz.
Zendvermogen: 500 kW.
Afstand: 479 km.
Spanning op de DC uitgang van de diode detector: 15 mV.

De opname kun je hier beluisteren: audio_1008_1053kHz.mp3

De ontvangst van het tweede station is veel zwakker dan het eerste.
Deze opname demonstreert hoe de geluidskwaliteit van de diode detector is, bij sterke en zwakke ingangssignalen.
Deze opname is overdag gemaakt, als de ontvangst van verafgelegen stations zwak is.

Terug naar de index