Аттенюаторы на полевых транзисторах.

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 15Следующая ⇒

Параллельную схему ключа, изображенного на рисунке 10.6А можно использовать в качестве аттенюатора, поскольку сопротивление канала включенного полевого транзистора зависит от напряжения управления. Однако

без заметного искажения формы выходного сигнала можно, как правило, получить на выходе амплитуду напряжения не более 30 мВ. Причиной искажений является тот факт, что сопротивление канала зависит от разности напряжений между затвором и каналом, а на канале присутствует переменное выходное напряжение, постепенно уменьшающееся от стока к истоку. Таким образом, сопротивление канала оказывается промодулированным. Этот эффект можно в значительной мере устранить введя в цепь затвора не только управляющее напряжение, но и часть переменного напряжения с выхода схемы. На рисунке 10.10 показан вариант такой схемы.

Рисунок 10.10 Путем изменения положения движка подстроечного резистора можно

добиться резкого сокращения нелинейных искажений и увеличить величину амплитуду выходного напряжения без искажений. Настройку схемы проще всего выполнять, подавая на ось Х электронного осциллографа входное напряжении U₁, а на ось Y – выходное напряжение U₂. В том случае, если искажения отсутствуют, на экране осциллографа видна наклонная прямая линия. При наличии искажений - линия искривляется. С помощью схемы, изображенной на рисунке 10.9, можно получить на выходе неискаженный сигнал амлитудой до 1000 мВ. Во многих случаях этого недостаточно и требуется дальнейшее усиление.

Однако иногда бывает лучше объединить электронный аттенюатор с усилителем, введя аттенюатор в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего усилителя. Такая схема показана на рисунке 10.11.

Рисунок 10.11

В этой схеме полевой транзистор стоит в цепи отрицательной обратной связи усилителя и поэтому напряжение на нем мало. Сигнал на выходе операционного усилителя можно получить такой величины, какую только может обеспечить этот усилитель.

11.ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ

Чаще всего приходится детектировать гармонические сигналы. Назначение детектирования состоит в восстановлении формы модулирующего сигнала. В зависимости от вида модуляции различают амплитудные детекторы, частотные детекторы, фазовые детекторы. Реже применяют такие детекторы как: детектор среднего значения, детектор эффективного значения, квадратичные детекторы, синхронные детекторы. Иногда на практике используется амплитудно-импульсная модуляция, широтно-импульсная модуляция или амплитудно-фазовая модуляция. Соответствующие устройства, восстанавливающие

информацию, содержащуюся в модулирующем сигнале, обычно называют не детектором а демодулятором, хотя суть одна и та же.

Амплитудные детекторы.

Очень хорошо известен обычный диодный амплитудный детектор, схема которого показана на рисунке 11.1

Рисунок 11.1

По существу - это однополупериодный выпрямитель. Конденсатор фильтра заряжается через диод до амплитудного значения поступающего на вход сигнала и медленно разряжается через сопротивление нагрузки. Однако так вел бы себя диодный детектор при идеальной вольтамперной характеристике диода. Вольтамперная характеристика реального диода при малых напряжениях далека от идеальной. В результате зависимость выходного напряжения от амплитуды поданного напряжения получается нелинейной. На рисунке 11.2 эта зависимость показана в сравнении с идеальной.

Рисунок 11.2 Нетрудно видеть, что для измерительных целей амплитудный детектор с

обычным диодом мало пригоден. Использование диодов Шоттки вместо обычных кремниевых диодов только несколько улучшает ситуацию.

Обычный амплитудный диодный детектор (см. рис. 11.1) может работать, с использованием соответствующих диодов, до очень высоких частот. Но он имеет нелинейную характеристику детектирования. Возможно построение измерительной электронной схемы на диодных детекторах с лианеризацией характеристики детектирования методом компенсации. Для этого используется два одинаковых диодных детектора. На вход одного из них подается сигнал высокой частоты и определяется напряжение на выходе. На вход второго детектора подается напряжение низкой частоты такой величины, чтобы напряжение на его выходе сравнялось с выходным напряжением высокочастотного детектора. Тогда можно утверждать, что величина высокочастотного напряжения равна напряжению низкой частоты, которое можно определить с достаточной степени точности. Таким образом исключаются трудности с нелинейностью характеристик детектирования. На

рисунке 11.3 показана измерительная схема такого типа, где процесс выравнивания напряжений делается автоматически за счет использования дифференциального усилителя и электронного аттеньюатора.

Рисунок 11.3

Для повышения чувствительности диодных детекторов через диоды VD1 и VD2 пропускается небольшой постоянный ток. Подстроечным резистором R2 ток смещения выравнивается. Разность продетектированных напряжений высокой и низкой частоты усиливается дифференциальным усилителем DA1 и через транзистор VT1 поступает на вход оптрона, используемого в качестве электронного аттеньатора. Низкочастотный сигнал с выхода аттеньюатора усиливается усилителем DA2 и поступает на вход низкочастотного детектора. Одновременно это напряжение измеряется низкочастотным вольтметром. Его показания являются мерой напряжения высокой частоты. Испытания схемы показали, что линейность показаний сохраняется в диапазоне входных высокочастотных сигналов от 10 мВ до 1000 мВ.

Одним из способов уменьшения нелинейных искажений при детектировании является введение перед диодным детектором операционного усилителя в режиме компаратора. Такая схема показана на рисунке 11.4.

Рисунок 11.4

Если напряжение на входе детектора больше, чем на его выходе, то диод открыт, конденсатор заряжается и выходное напряжение повышается. Если же входное напряжение детектора меньше выходного, то диод закрыт. В схеме автоматически устанавливается уровень выходного напряжения равный амплитуде входного сигнала. Введенный последовательно с диодом резистор несколько уменьшает скорость зарядки конденсатора и препятствует неустойчивому режиму работы схемы, когда в схеме развиваются паразитные релаксационные колебания. Схема обеспечивает линейную зависимость выходного напряжения от амплитуды входного в пределах от 10 мВ до 3 В и до частоты равной 500 КГц. Недостатком этой схемы, как и всех схем амплитудных диодных детекторов, в которых конденсатор заряжается через диод и разряжается через сопротивление, является большая инерционность.

Рисунок 11.5 На рисунке 11.5 показана реакция амплитудного детектора на радиоимпульс.

На этом рисунке наложены изображения входного сигнала и выходного для идеального амплитудного детектора. После прекращения действия

100

радиоимпульса выходное напряжение медленно стремиться к нулю. Одновременно наблюдаются пульсации выходного напряжения во время действия радиоимпульса. Если увеличить постоянную времени выходной интегрирующей цепочки, то пульсации будут уменьшаться, но одновременно увеличиться длительность времени восстановления выходного сигнала. Этого недостатка лишен амплитудный детектор со схемой выборки-хранения, показанный на рисунке 11.6. Принцип действия амплитудного детектора иллюстрируется на рисунке 11,7.

Рисунок 11.6 Сигнал управления электронного ключа формируется в виде коротких

прямоугольных импульсов кратковременно отпирающих ключ. Момент отпирания должен совпадать с максимумом детектируемого входного сигнала. Эти импульсы должны существовать независимо от того есть ли входной сигнал или нет. В этом сложность применения данной схемы детектирования. Ее не всегда можно применить. Работа схемы должна быть рассчитана таким образом, чтобы за время открытия ключа запоминающий конденсатор успевал зарядиться до амплитудного значения детектируемого сигнала. Потом напряжение на конденсаторе сохраняется до момента поступления следующего отпирающего ключ импульса. Чтобы конденсатор не разряжался, сигнал с него подается на выход через повторитель напряжения на операционном усилителе с очень большим входным сопротивлением. После исчезновения входного сигнала выходной сигнал исчезает через промежуток времени не

101

превышающий период повторения. При постоянной амплитуде входного напряжения отсутствуют пульсации выходного сигнала.

Рисунок 11.7 Другой способ линеаризации процесса детектирования заключается в

использовании вместо источника напряжения источника тока. В этом случае, учитывая одностороннюю проводимость диода, характеристика детектирования практически линейная. Трудность применения этого метода линеаризации процесса детектирования заключается в сложности создания источника тока, то есть источника сигнала с очень большим внутренним сопротивлением.

В радиоприемной аппаратуре диодные детекторы широко используются и линейность их детектирования оказывается вполне приемлемой. Секрет этого заключается в том, что сигнал на диодный детектор подается с колебательного контура настроенного в резонанс. А колебательный контур на резонансной частоте обладает большим сопротивлением. По существу для последующего диодного амплитудного детектора колебательный контур является источником сигнала с очень большим внутренним сопротивлением, приближающийся по свойствам к источнику тока.

102

Детекторы среднего значения.

Выходное сопротивление большинства широкополосных усилителей сравнительно невелико и для улучшения линейности при детектировании необходимо преобразовать напряжение в ток. Для этого можно использовать схему усилителя с отрицательной обратной связью. Один вариант такого детектора показан на рисунке 11.8

Рисунок11.8 При работе усилителя в линейном режиме коэффициент усиления

операционного усилителя очень велик, а разность потенциалов между двумя его входами близка к нулю. Поэтому близок к нулю потенциал инвертирующего входа. На инвертирующем входе образуется «виртуальная земля». Следовательно, через резистор R на входе схемы будет течь ток, пропорциональный входному напряжению и весь этот ток будет проходить через мостиковую схему детектирования. Продетектированный ток измеряется прибором. Рассмотренная схема выполняет линейное детектирование в интервале входных напряжений от 10 мВ до 10 В. Эта схема, является не амплитудным детектором, а детектором среднего значения. Детектор среднего значения, по сравнению с амплитудным детектором, более помехозащищен, поскольку при усреднении малой помехи она может взаимно скомпенсироваться.

103

Рассмотренная схема имеет симметричный выход. При необходимости для получения несимметричного выхода часто применяют схему на двух операционных усилителях (Рисунок 11.9).

Рисунок 11.9

На первом операционном усилителе собрано два однополупериодных выпрямителя с линейной характеристикой выпрямления. Линейность характеристики обусловлена тем, что ток, протекающий через диоды, задается преобразователем напряжения в ток благодаря применению глубокой отрицательной обратной связи по току в операционном усилителе. На выходе этих выпрямителей получаются импульсы

напряжений разной полярности (точки А и Б на рисунке 11.8). Второй операционный усилитель вычитает эти сигналы и на выходе его появляется сигнал, по форме совпадающий с двухполупериодным выпрямленным сигналом (точка В) При подаче на вход схемы сигнала любой формы, выходной сигнал будет равен абсолютному значении входного сигнала. (Это еще одно свойство данной схемы). Далее сигнал усредняется интегрирующей цепочкой RфСф. Таким образом, эта схема детектора является детектором среднего значения.

104

Для лучшего понимания на рисунке 11.10 показана форма сигналов в различных точках схемы детектора.

Рисунок 11.10

Сигнал, полученный на выходе усредняющей цепочки детектора среднего значения, может потребовать дальнейшего усиления. В этом случае процесс усиления можно объединить с усреднением, заменив

цепочку RфСф на усредняющий усилитель (Рисунок 11.11). Величина постоянной времени усредняющей цепочки RфСф подбирается в зависимости от уровня допустимых пульсаций напряжения. Относительные пульсации

напряжения можно определить по формуле		Uп	1	. При этом
	Uвых		4 fRфСф

необходимо иметь в виду, что при уменьшении пульсаций выходного напряжения одновременно возрастает инерционность схемы детектирования. Это проявляется в том, что при подаче сигнала на вход детектора сигнал на его выходе приобретет установившееся значение не сразу. а через некоторое время.

105

Рисунок 11.11 Время установления сигнала определяется постоянной времени

усредняющей цепочки и может составлять десятки периодов повторения поданного сигнала. То есть, после исчезновения входного сигнала выходной сигнал также исчезнет через много периодов повторения входного сигнала. Если принять уровень относительных пульсаций порядка 1%, то время установления будет порядка 50 периодов. На самых низких частотах детектируемого сигнала это может привести к некоторым затруднениям. Между тем теоретически среднее значение детектируемого сигнала определяется за период

Рисунок 11.12

К этому значению можно приблизиться, применив схему быстродействующего усредняющего устройства (рисунок 11.12). Рассмотрим работу этой схемы. Схема состоит из электронного интегратора OP1 и схемы выборки–хранения. После подачи входного сигнала начинается процесс его

106

интегрирования электронным интегратором, выполненным на операционном усилителе OP1. Напряжение на его выходе за время, равное периоду повторения входного сигнала T достигнет значения:

U ¹ ^T Uвхdt

_RC₀

Если принять RC=T, тогда это выражение совпадет с определением среднего значения сигнала U_вх за период. Если теперь кратковременно включить ключ и перенести полученное напряжение на запоминающий конденсатор С_зап, то на выходе схемы выборки–хранения появится напряжение Uвых равное U. Это напряжение будет поддерживаться на выходе неизменным до следующего включения ключа.

В течение второго периода электронный интегратор будет интегрировать одновременно входной и выходной сигналы. Поскольку входной и выходной сигналы находятся в противофазе, то проинтегрированные сигналы будут вычитаться. При выполнении условия RC = T к концу второго периода результат вычитания будет равен нулю и на выходе интегратора напряжение останется равным U. Если в этот момент путем подачи на вход ключа кратковременного отпирающего импульса выходное напряжение перенести на запоминающий конденсатор, то напряжение на нем и на выходе схемы не изменится. За третий и последующий периоды ситуация останется прежней. Таким образом, при рассмотренном условии RC=T, выходное напряжение станет равным среднему значению входного напряжение за время, равное периоду повторения входного сигнала. Если входной сигнал не изменяется, то выходной сигнал остается постоянным и равным среднему значению входного сигнала. Никаких пульсаций выходного сигнала при этом не наблюдается. Если входной сигнал в какой-то момент времени изменится, то это изменение будет учтено в выходном сигнале с задержкой в один период. Проведенные рассуждения иллюстрируется рисунком 11.13.

107

Рисунок 11.13

Если же условие RC = T не выполняется, то для установления среднего значения напряжения на выходе детектора потребуется не один, а несколько периодов. Число этих периодов будет тем больше, чем больше разница величин RC и Т. В любом случае, время, требующееся для

установления среднего значения выходного напряжения в рассмотренной схеме детектора, намного меньшее аналогичного времени в обычной интегрирующей цепи. С другой стороны, рассмотренная схема сложна и теряет помехозащищенность. Более того, из за необходимости создавать сигнал управления, ее не всегда можно реализовать.

Ключевой синхронный детектор

Принцип действия ключевого синхронного детектора поясняет рисунок 11.14. Схема имеет дифференциальный вход. На этот вход подаются в противофазе два равных по амплитуде детектируемых сигнала. Конкретно эти сигналы подаются на вход быстродействующего электронного переключателя. Для лучшего понимания переключатель изображен как механический переключатель. Будем считать, что этот переключатель идеален, т.е. переключение происходит мгновенно и его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю. Работой переключателя управляет сигнал. Его обычно называют опорным сигналом. Предположим, что опорный сигнал управляет

108

работой переключателя таким образом, что он всегда соединяется с тем входом, на котором в данный момент существует положительное напряжение. Такое возможно только если опорный сигнал синхронизирован с детектируемым. Поэтому данный детектор и называют синхронным.

Рисунок 11.14

Для определенности, полезно ввести понятие угла фазового сдвига между детектируемым и опорным сигналом. Рассмотрим случай, когда =0⁰. На выходе ключа получается сигнал совпадающий по форме с двухполупериодным выпрямленным сигналом. Далее этот сигнал проходит через интегрирующую RC цепь, сглаживающую пульсации выпрямленного напряжения. На выходе цепи напряжение будет равно ² U_C . Однако это

выпрямление произошло без участия нелинейных элементов. Здесь мы обнаруживаем первое замечательное свойство синхронного детектора –

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2469; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 10 111213 14 15 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!