Способность линейно детектировать при любой величине детектируемого
сигнала.Синхронный детектор это абсолютно линейный детектор.Этим ончрезвычайно привлекателен для многочисленных применений. Но к сожалению, не всегда можно реализовать синхронный опорный сигнал.
Если фазу опорного сигнала поменять на 180 градусов, то выходное напряжение поменяет полярность, так как переключатель будет пропускать только отрицательные половинки синусоид. Если сдвиг по фазе будет равен 90
109
|
|
| 2 U CCOS( ) |
градусов, то переключатель будет пропускать и положительные и отрицательные сигналы, как это видно на рисунке. На выходе интегрирующей цепочки сигнал будет равен нулю.
Анализ схемы при произвольном фазовом сдвиге приводит к выводу, что на
| выходе интегрирующей цепочки в этом случае сигнал равен | 2 | U CCOS( ). | |
|
| |||
Второе замечательное свойство синхронного детектора заключается в его
фазовых свойствах.Он может работать как фазовый детектор.
Рассмотрим одно из применений фазового детектора. Если помимо данного
синхронного детектора, выдающего на выходе сигнал равный использовать еще один такой же детектор, фаза опорного
сигнала которого дополнительно смещена на 90 градусов , то на выходе этого дополнительного детектора сигнал будет равен 2 U CSIN( ) . В результате
появляется возможность разделить активную и реактивную составляющие сигнала, что дает возможность построить измерительный прибор для определения активной и реактивной составляющих проводимости некоторого образца. Структурная схема такого прибора показана на рисунке 11.15. Далее рассмотрим работу синхронного детектора в асинхронном режиме. Пусть с - частота детектируемого сигнала, o - частота опорного сигнала, тогда фазовый сдвиг между этими сигналами будет равен = ( с o )t . В результате на выходе синхронного детектора получается не постоянное напряжение, а переменное напряжение разностной частоты.
|
|
|
110
Рисунок 11.15
Однако это напряжение получается на выходе интегрирующей RC цепочки, которая уменьшает величину амплитуды напряжения с ростом разностной частоты. Полное значение напряжения на выходе синхронного детектора дается выражением
2 U CCOS(( с o )t + )
Uвых =
1 (1- с )2o2R2C2
o
Форма частотной зависимости амплитуды этого сигнала получается такой же, как и у обычного колебательного контура с добротностью равной Q o RC,
| полосой пропускания | f | 1 | и резонансной частотой o . Однако имеется | |
| RC |
существенное качественное различие. Когда мы имеем дело с колебательным контуром, частота на выходе колебательного контура всегда равна частоте входного сигнала. Для синхронного детектора частота выходного сигнала равна
|
|
|
111
разностной частоте между опорным сигналом и детектируемым. Колебательный контур имеет единственную резонансную частоту. У синхронного детектора наблюдаются резонансные максимумы на всех нечетных гармониках частоты опорного сигнала.
Рисунок 11.16
На рисунке 11.16 показана частотная характеристика синхронного детектора с добротностью равной 100. Резонансы наблюдаются на нулевой частоте, т.е. частоте, совпадающей с частотой опорного сигнала, утроенной, упятеренной и т. д. частотах опорного сигнала. Многочастотность синхронного детектора затрудняет его использование. Для того, чтобы этот недостаток не проявлялся, перед синхронным детектором вынуждены ставить обычную частотно-избирательную систему, подавляющую нежелательные полосы пропускания.
Третье замечательное свойство синхронного детектора – его частотно-избирательные свойства.
Добротность и полоса пропускания синхронного детектора чрезвычайно просто меняются выбором параметров RC цепочки. Можно получить как очень низкую добротность и широкую полосу пропускания, так и чрезвычайно высокую добротность и узкую полосу пропускания синхронного детектора. Рассмотрим следующий пример. На частоте 1 МГц для синхронного детектора с сопротивлением 1 Мом и емкостью 1 мкФ получим огромную добротность
|
|
|
112
равную 6.28•106 и очень узкую полосу пропускания частот равную 0.15 Гц. Такую добротность не удается получить даже с хорошим кварцевым резонатором. Между тем для синхронного детектора можно получить полосу пропускания частот даже в 0.001Гц. При этом время установления выходного сигнала будет составлять около одного часа. Такая экзотическая полоса пропускания может потребоваться лишь при измерениях чрезвычайно малых сигналов.
Частотно-избирательные свойства синхронного детектора можно существенно улучшить, используя вместо интегрирующей RC цепи фильтр нижних частот более высокого порядка. Так с фильтром второго порядка можно получить частотную характеристику такую же, как и при использовании для частотной селекции фильтра с двумя связанными контурами. Фильтр четвертого порядка даст тот же эффект, как и фильтр сосредоточенной селекции с четырьмя связанными контурами. На рисунке 11.17 показан пример схемы активного фильтра второго порядка, который можно применить вместо интегрирующей RC цепочки.
|
|
|
| Рисунок 11.17 | |||
| Полоса пропускания такого фильтра определяется по формуле: f | 1 | . | |
| 2 RC | |||
Синхронный детектор чаще всего используется в синхронном режиме. Для этого необходимо иметь синхронный опорный сигнал. Если синхронный детектор является частью какого либо закрытого измерительного комплекса, то
113
проблемы с созданием синхронного опорного сигнала обычно нет. Трудности возникают при детектировании сигналов, пришедших извне. Например, радиосигналов. В телевизионном сигнале в качестве опорного сигнала используют выделенную частоту несущего сигнала изображения. Для радиовещательных сигналов опорный сигнал можно организовать, используя систему ФАПЧ. Для решения этой задачи выпускают специализированные интегральные схемы.
В асинхронном режиме работы синхронного детектора на его выходе получается сигнал разностной частоты. Если это нежелательно, то нужно использовать два синхронных детектора, опорные сигналы которых сдвинуты на 90 градусов. Полученные на выходах этих детекторов сигналы необходимо возвести во вторую степень и сложить. Затем из полученной суммы извлечь квадратный корень. В результате получится сигнал независимый от времени и
| 2 | UC | ||||||
|
| |||||||
| равный Uвых = | . | ||||||
| 1 (1- |
| с )2 o2 R 2 C2 | |||||
| o | |||||||
Реализацию классической схемы синхронного детектора легко осуществить, используя два аналоговых ключа (рисунок 11.18).
Рисунок 11.18
Такая схема может работать до частоты порядка 1 МГц. Но в комплексе, вместе с формирователями входных и опорных сигналов, такая схема
114
получается несколько громоздкой. Поэтому иногда можно отдать предпочтение более простой схеме, представленной на рисунке 11.19.
Рисунок 11.19
Данная схема работает следующим образом. Предположим, что ключ разомкнут при отрицательных входных сигналах и замкнут при положительных. Если ключ разомкнут, тогда получаем инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равным –1. Но отрицательное входное напряжение на выходе операционного усилителя инвертируется превращается в положительное. Если ключ замкнут, то схема работает в режиме повторителя напряжения и на выходе усилителя, как и на входе, имеется положительное напряжение. В результате на выходе операционного усилителя получаем двухполупериодно выпрямленный сигнал. При других фазах работы ключа получаем все те же выходные сигналы, что и в классическом ключевом синхронном детекторе. Данная схема значительно менее быстродействующая по сравнению с предыдущей схемой. Ее можно использовать до частоты порядка 10 кГц.
Наиболее быстродействующий ключевой синхронный детектор можно получить на основе перемножителя сигналов. Принцип действия его простой. Если детектируемый и опорный сигнал, имеющий форму меандра, оба положительны, то после перемножения получаем положительный сигнал, сохраняющий форму детектируемого. Если оба сигнала отрицательны, то после перемножения получаем опять таки положительный сигнал с формой входного.
115
Промышленность выпускает очень много разновидностей перемножителей сигналов. Но только некоторые из них обладают способностью перемножать аналоговые сигналы (например, К525ПС2) и на их основе можно создать схему ключевого синхронного детектора со свойствами классического. Большая же часть перемножителей сигналов используется по прямому назначению в качестве преобразователей частоты в радиоприемной аппаратуре (называемых часто как «двойной балансный смеситель») . На их основе так же возможно создать синхронный детектор. Однако на выходе синхронно продетектированный сигнал получается как дифференциальный, с добавкой некоторой постоянной составляющей, которую в последующем возможно нужно будет удалить. Схема такого синхронного детектора показана на рисунке 11.20. Данная схема работает до частоты 1 МГц. На более высоких частотах возникают трудности с формированием опорного сигнала прямоугольной формы. Опорный сигнал должен иметь амплитуду около 1 вольта. Подстроечным резистором при отсутствии детектируемого сигнала выставляется нулевое напряжение на выходе. Недостатком схемы является зависимость выходного напряжения от величины опорного напряжения.
Рисунок 11.20
Эта же схема работает как синхронный детектор и с опорным сигналом синусоидальной формы до частот в несколько сотен мегагерц. Но это уже будет не ключевой синхронный детектор, а синхронный детектор на перемножителе
116
| сигналов. В самом деле, при | перемножении | сигналов UCCOS( t ) и |
| U 0COS( t) получим | ||
| 1 U 0U C[ COS( ) COS(2 t )]. | Второй сигнал | с удвоенной частотой |
| 2 |
подавляется интегрирующей цепочкой на выходе детектора. Остается сигнал равный 21 U 0U CCOS( ). Таким образом, получен качественно тот же результат,
что и в ключевом синхронном детекторе, но в данной схеме появляется зависимость выходного сигнала от величины опорного сигнала, что для измерительных схем не очень хорошо.
Частотные детекторы.
Частотно-модулированная (ЧМ) связь гораздо менее чувствительна к помехам. Шумы и помехи, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), шумы в радиоприемной аппаратуре или любые другие помехи, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае амплитудной модуляции (AM). Объясняется это тем, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям амплитуды, можно практически устранить эту нежелательную модуляцию. Восстановление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.
Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основе большинства методов лежит использование наклона частотной характеристики резонансного контура.
117
Частотные детекторы выполняют функции, противоположные функциям модулятора, т.е. обеспечивают выделение передаваемой информации из частотно-модулированного сигнала.
Рисунок 11.21
Часто эта операция производится в два этапа (рисунок 11.21). На первом этапе частотно-модулированный сигнал преобразуется в амплитудно-модулированный, а на втором этапе - осуществляется амплитудное детектирование. Первый этап можно выполнить, подавая ЧМ сигнал на Рисунок 11,22
частотно-зависимый четырехполюсник (ЧЗЧ), с неравномерной частотной характеристикой. Часто в качестве такого четырехполюсника применяется параллельный резонансный контур. Схема частотного детектора для этого случая может выглядеть, как показано на рис.11.22. В схеме контур расстроен относительно частоты f0 так,
Рисунок 11,22
118
чтобы ЧМ сигнал попадал на один из скатов характеристики. Видно, что при изменении частоты выходное напряжение будет меняться и, следовательно, ЧМ сигнал получит и амплитудную модуляцию, из которой полезный выходной сигнал выделится амплитудным детектором, образованным элементами VD1, R1, C2. К недостаткам такого частотного детектора следует отнести сравнительно небольшой участок на резонансной кривой, имеющий линейную зависимость. Кроме этого, к недостаткам относится необходимость введения расстройки контура относительно центральной частоты модулированного колебания.
Более совершенная схема частотного демодулятора приведена на рисунке 11.23. В этой схеме имеются два резонансных индуктивно связанных контура, настроенных на одну частоту. Эти контуры также используются для преобразования ЧМ в AM колебания. Напряжения относительно средней точки второго контура равны U2/2, а напряжение подводимое в среднюю точку равно U1. При этом на резонансной частоте сигналы U1 и U2 сдвинуты на 90е, что и показано на векторных диаграммах рисунка 11.24. Так как выпрямленные диодными детекторами напряжения пропорциональны поданным на них напряжениям, то выходное напряжение оказывается равным нулю.
Рисунок 11.23
119
При расстройке этой системы контуров, вызванной изменением частоты входного сигнала, произойдет поворот вектора U2 относительно вектора U1, на угол, отличный от 90°,. как показано на рис. 11.24. Направление поворота зависит от знака расстройки. При этом изменятся значения напряжений, подаваемых на входы диодных детекторов и появится выходное напряжение. Зависимость этого напряжения от частоты показана на рисунке 11.25.
Рисунок 11.24
Рисунок 11.25
Современное решение проблемы частотного детектирования основывается на применении в качестве частотных детекторов систем с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), получивших очень широкое распространение в интегральной технологии. Обобщенная структурная схема таких устройств показана на рисунке 11.24. В этой схеме фазовый детектор (ФД) следит за разностью фаз между приходящим ЧМ сигналом и сигналом генератора, управляемого напряжением (ГУН). При несовпадении фаз
120
вырабатывается напряжение подстройки ГУНа, которое и является демодулированным сигналом. Для обеспечения устойчивой работы применяется фильтр нижних частот, характеристика которого во многом определяет свойства ФАПЧ.
Рисунок 11.26
На основе такой схемы частотного детектора выполнено большое количество интегральных схем, например, 174ХА12, NE561, применяющихся как в системах связи, так и различной бытовой радиоаппаратуре (телевизорах, приемниках, видеомагнитофонах и пр.).
Особенностью устройств ФАПЧ является то, что они могут работать при несущих ЧМ и ГУН кратных друг другу. Таким образом, показанная на рисунке 11.26 характеристика имеется и на частотах 2fo, 3fo и т.д. В результате применения цифровой технологии схемы ФАПЧ менее чувствительны к паразитной амплитудной модуляции, чем схемы с колебательными контурами.
ИМС К174ХА12 представляет собой управляемый генератор - универсальную высокочастотную систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с замкнутым контуром обратной связи, обеспечивающую независимую регулировку центральной частоты и полосы удержания. Генератор содержит
121
фазовый детектор, генератор управляемый напряжение, эмиттерный повтори-тель, синхронный детектор.
Основным блоком в ИМС является управляемый генератор, от которого зависят такие параметры, как стабильность частоты выходных колебаний в диапазоне питающих напряжений и температуры, линейность модуляционных и демодуляционных характеристик, частота спектра выходного сигнала, диапазон рабочих частот. Управляемый генератор выполнен в виде эмиттерно-связанного мультивибратора, который работоспособен в широком диапазоне частот. Для минимизации температурного дрейфа частоты в нем предусмотрена температурная компенсация. Частота генератора определяется внешним ча-стотно-задающим конденсатором, подключенным к выводам 2, 3. Изменяя номинал внешнего конденсатора в пределах 109...10 пФ, можно устанавливать частоту собственных колебаний ГУН в диапазоне 0...107 Гц. Схема
рисунка 11.27 предназначена для частотного детектирования на частоте 10.7 МГц. Схематическое построение генератора предусматривает возможность внешнего электронного управления частотой генерации и полосой удержания.
Рисунок 11,27 Фазовый детектор построен по схеме двойного балансного перемножителя
на дифференциальных усилителях. Фильтр НЧ образован выходным сопротивлением фазового детектора и внешними элементами, подключаемыми к выводам 14 и 15.
122
Фильтр нижних частот обеспечивает необходимую полосу захвата путем подключения внешних, элементов к выводам 14, 15. Номинал подключаемого-конденсатора (в микрофарадах) можно определить по формуле С=26,3/ f, где
f( Гц) - необходимая полоса захвата.
На базе ИМС К174ХА12 можно строить высококачественный
| амплитудный детектор, | имеющий | высокую точность и | обеспечивающий | |||
| дополнительное | ослабление | паразитной АМ | более чем 30 дБ. В ИМС | |||
| npeдусмотрена | возможность | подключения | конденсатора, образующего | |||
| совместно с внутренним | сопротивлением | микросхемы | цепь коррекции | |||
| предыскажений и обеспечивающего | дополнительную фильтрацию несущей | |||||
| частоты. | ||||||
При использовании микросхемы в режиме следящего фильтра выходной сигнал управляемого генератора снимают с вывода 5 через развязывающий резистор сопротивлением не менее 1кОм. Наличие синхронного детектора позволяет использовать ИМС в режиме синхронного AM детектора, имеющего нелинейные искажения не более 1 % и обеспечивающего высокую
| помехоустойчивость. Для | фильтрации | ВЧ составляющих | к выходу |
| синхронного детектора | подключен внешний конденсатор, | который | |
совместно с выходным сопротивлением детектора определяет полосу пропускания звуковых частот AM.
Интегральная схема 174ХА12 и аналогичная ей NE561 требуют применения 18 вольт напряжения питания, что может вызвать затруднения.
123
Рисунок 11.28
На рисунке 11.28 показана схема частотного детектора с напряжением питания всего в 5 вольт, созданная на основе балансного смесителя, работающего фазовым детектором, и встроенного гетеродина. С указанными номиналами детектор детектирует сигнал с частотой 11.7 МГц.
12. СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
При проведении различных измерений обычно требуется какие-то исходные данные поддерживать на неизменном уровне, а какие-то менять по заданному закону. Для этого используются системы стабилизации и автоматического управления. Системы стабилизации бывают двух типов: параметрические и компенсационные. Последние иногда называют автокомпенсационными или системами стабилизации со следящей обратной связью. Действие параметрических систем стабилизации основано на некоторых свойствах объектов. Например: в смеси льда с водой поддерживается температура 0оС, в парах кипящей воды 100оС при нормальном атмосферном давлении, падение напряжения на стабилитроне постоянно при
124
неизменном токе через него, напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, в данной точке постоянна.
Такие системы просты, но обладают рядом недостатков. Действие некоторых из них кратковременно. Например, если весь лед растаял, то температура системы вода-лед начинает подниматься. Для изменения нужного параметра приходится изыскивать другой объект. Допустим, нужна постоянная температура равная 39оС. Возникает вопрос, а в каком процессе поддерживается такая постоянная температура? На такой вопрос зачастую трудно дать ответ.
Компенсационные системы стабилизации несколько сложнее устроены, но они более гибки. Обычно нет проблемы сделать стабилизируемый параметр нужной величины. Эти системы стабилизации легко перевести из режима стабилизации в режим автоматического управления.
Рассмотрим некоторые системы параметрической стабилизации. В радиоэлектронике чаще всего приходится встречаться с необходимостью стабилизации постоянного напряжения. Простейшая схема такого стабилизатора, которая весьма часто используется, показана на рисунке 12.1.
Рисунок 12.1 Она состоит всего из двух элементов: резистора и стабилитрона.
Стабилизируемое напряжение определяется стабилитроном. Промышленность выпускает стабилитроны на различные напряжения: от 0.7В до нескольких сотен вольт. Чаще всего приходится встречаться с проблемой стабилизации напряжения от 5 до 15 вольт, потому что эта область напряжений обычно используется в транзисторной и интегральной технике.
125
Эта схема имеет ряд недостатков. Главный из них - это низкий коэффициент полезного действия (порядка 30%). Часть подводимой мощности рассеивается в добавочном сопротивлении, часть в стабилитроне. Поэтом такая схема используется чаща всего в качестве источника некоторого опорного напряжения, когда в нагрузку практически не надо передавать никакой мощности.
Рисунок 12.2 Небольшое усложнение схемы, путем добавления эмиттерного повторителя,
позволяет увеличить коэффициент полезного действия до приемлемого уровня (порядка 70%) и передать в нагрузку значительную мощность (смотрите рисунок 12.2). Однако в настоящее время эта схема уже морально устарела, поскольку имеются интегральные схемы стабилизации постоянного напряжения, имеющие значительно лучшие характеристики, более простые в эксплуатации и более дешевые. Большая часть таких схем рассчитана на выходное стабилизируемое напряжение постоянного уровня. И хотя по своему внутреннему устройству они являются компенсационными схемами стабилизации, применение их такое, как будто они являются параметрическими. На рисунке 12.3 показана схема включения такого стабилизатора.
126
Рисунок 12.3
Выход такого стабилизатора обычно шунтируют электролитическим конденсатором, так как без него возможно появление паразитного самовозбуждения на высоких частотах. Кроме того, с повышением частоты внутреннее сопротивление стабилизатора повышается. В обозначении таких стабилизаторов импортного производства первые две буквы относятся к обозначению фирмы производителя, цифра 78 обозначает стабилизатор положительного напряжения, 79 – отрицательного напряжения. Стабилизатор с обозначением 78L12 рассчитан на малый выходной ток, обычно не превышающий 100мА. Отечественный аналог стабилизатора, примененного в схеме, имеет обозначение КР142ЕН8Б. Так как на стабилизаторе падает некоторое напряжение и может проходить ток до 1,5 А, то в стабилизаторе выделяется тепловая мощность, которую нужно рассеивать применяя, например, радиатор охлаждения. Стабилизаторы этого типа выдают достаточно стабильное напряжение для большинства применений, имеют низкое выходное сопротивлений и не боятся кратковременных коротких замыканий на выходе.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2022; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!