Ключовий синхронний детектор. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Радіоаматор-конструктор

 Коментарі до статті

Принцип дії ключового синхронного детектора пояснює рис. 1.

Рис. 1

Пристрій має диференційний вхід. Два рівних сигнали, що детектуються, подаються в протифазі на швидкодіючий електронний перемикач. Для простоти на рис. 1 перемикач зображено як механічний. Вважатимемо, що він ідеальний, тобто перемикання відбувається миттєво і його опір у замкнутому стані дорівнює нулю. Роботою перемикача керує сигнал, який зазвичай називають опорним. Нехай опорний сигнал управляє роботою перемикача так, що його рухомий контакт завжди з'єднується з тим входом, на якому зараз існує позитивна напруга. Таке можливо, якщо опорний сигнал синхронізований з детектованим, тому цей детектор і називають синхронним. Для визначеності корисно ввести поняття кута фазового зсуву j між детектованим і опорним сигналом, в даному випадку j = 0. На виході ключа отримаємо сигнал, формою збігається з двонапівперіодно випрямленим сигналом. Далі цей сигнал проходить через інтегруючу RC-ланцюжок, що згладжує пульсації випрямленої напруги. На виході ланцюжка напруга дорівнюватиме 2/PI*Uc .

Випрямлення відбулося без участі нелінійних елементів. Тут ми виявляємо першу чудову властивість синхронного детектора - здатність лінійно детектувати при будь-якій амплітуді сигналу, що детектується. Цим він надзвичайно привабливий для численних застосувань. На жаль, не завжди можна продати синхронний опорний сигнал.

Якщо фазу опорного сигналу поміняти на 180°, то вихідна напруга змінить полярність, оскільки перемикач пропускатиме лише негативні напівхвилі вхідної напруги. Якщо зсув по фазі дорівнюватиме 90°, то перемикач пропускатиме і позитивні і негативні напівхвилі, як це видно на рис. 1. На виході інтегруючого ланцюжка сигнал дорівнюватиме нулю. Аналіз схеми пристрою при довільному фазовому зсуві призводить до висновку, що на виході ланцюжка, що інтегрує, в цьому випадку сигнал дорівнює 2/PI*Uccos(f). Друга чудова властивість синхронного детектора полягає у його фазових властивостях. Він може працювати як фазовий сенсор.

Розглянемо одне із застосувань такого фазового детектора. Якщо крім даного синхронного детектора, що видає на виході сигнал 2/PI*Uccos(f), використовувати ще один такий самий детектор, фаза опорного сигналу якого додатково зміщена на 90°, то на виході цього додаткового детектора сигнал буде дорівнює 2/PI*Ucsin (f). В результаті з'являється можливість розділити активну та реактивну складові сигналу.

Далі розглянемо роботу синхронного детектора асинхронному режимі. Нехай Fc - частота детектованого сигналу, F0 - частота опорного сигналу, тоді фазовий зсув між цими сигналами дорівнюватиме j = (Fc - F0)t. В результаті на виході синхронного детектора виходить не постійна, а змінна напруга частоти різниці. Однак ця напруга виходить на виході RC-ланцюжка, що інтегрує, яка зменшує величину амплітуди напруги зі зростанням різницевої частоти. Повне значення напруги на виході синхронного детектора визначається виразом

Частотна залежність амплітуди цього сигналу виходить такою самою, як і у звичайного коливального контуру з добротністю Q = F0RC, смугою пропускання df = 1/(PI*RC) та резонансною частотою F0 . Однак є суттєва якісна відмінність. Коли ми маємо справу з коливальним контуром, частота його виході завжди дорівнює частоті поданого сигналу. Для синхронного детектора частота вихідного сигналу дорівнює різниці частот опорного сигналу і детектується. Коливальний контур має єдину резонансну частоту, а синхронного детектора спостерігаються резонансні максимуми на всіх непарних гармоніках частоти опорного сигналу.

На рис. 2 показана частотна характеристика синхронного детектора з добротністю 100. Резонанси спостерігаються на нульовій частоті, частоті, що збігається з частотою опорного сигналу, потрійній частоті і на всіх подальших непарних гармоніках опорного сигналу Така багаточастотність ускладнює використання синхронного детектора, і для того, щоб цей недолік Перед синхронним детектором доводиться ставити звичайну частотно-виборчу систему, що пригнічує небажані смуги пропускання. Третя чудова властивість синхронного детектора – його частотно-виборчі характеристики.

Рис. 2

Якщо синхронний детектор працює в синхронному режимі та детектує модульований сигнал, його частотно-виборчі властивості виявляються для продетектованого сигналу. Смуга пропускання синхронного детектора для продетектованого сигналу скорочується вдвічі:

df = 1/(2*PI*RC)

Добротність та смуга пропускання синхронного детектора надзвичайно просто змінюються вибором параметрів RC-ланцюжка. Можна отримати дуже низьку добротність і широку смугу пропускання, так і надзвичайно високу добротність і вузьку смугу пропускання. Наприклад, на частоті 1 МГц із опором 1 МОм і ємністю 1 мкФ отримаємо добротність 6,28*106 та смугу пропускання 0,3 Гц. Таку добротність не вдасться отримати навіть із гарним кварцовим резонатором. Тим часом досяжна смуга пропускання навіть 0,001 Гц. Втім, така екзотична смуга може бути потрібна лише при вимірах надзвичайно слабких сигналів.

Рис. 3

Частотно-виборчі властивості синхронного детектора можна суттєво покращити, використовуючи замість інтегруючого RC-ланцюжка фільтр нижніх частот вищого порядку. Так, з фільтром другого порядку можна отримати частотну характеристику таку ж, як і при використанні частотної селекції фільтра з двома зв'язаними контурами. Фільтр четвертого порядку дасть той самий ефект, як і фільтр зосередженої селекції з чотирма контурами. На рис. 3 показаний приклад схеми активного фільтра другого порядку, який можна застосувати замість інтегруючої RC-ланцюжка.

Смуга пропускання такого фільтра

df=1/(2*PI/RC)

Синхронний детектор найчастіше використовується у синхронному режимі. Для цього потрібно мати синхронний опорний сигнал. Якщо детектор входить до складу будь-якого закритого вимірювального комплексу, проблеми зі створенням синхронного опорного сигналу зазвичай немає. Труднощі виникають при детектуванні сигналів, що прийшли ззовні, наприклад, радіосигналів. У телебаченні як опорна використовують виділену частоту несучого сигналу зображення. Для прийому радіомовлення опорний сигнал можна організувати, використовуючи систему ФАПЧ. Для вирішення цього завдання випускають спеціалізовані інтегральні схеми.

В асинхронному режимі на виході виходить сигнал різницевої частоти. Якщо це небажано, тоді можна вчинити так. Потрібно використовувати два синхронні детектори, опорні сигнали яких зрушені на 90 °. Отримані на виходах цих детекторів сигнали необхідно звести квадрат і скласти. Потім із отриманої суми витягти квадратний корінь. В результаті вийде сигнал, що не містить різницевої частоти:

Легко здійснити реалізацію класичної схеми синхронного детектора, використовуючи два аналогові ключі (рис. 4).

Рис. 4

Такий детектор може працювати на частоті до 1 МГц. У комплексі разом із формувачами вхідних та опорних сигналів пристрій виходить дещо громіздким. Тому іноді можна віддати перевагу простішому варіанту за схемою на рис. 5.

Рис. 5

Працює такий детектор в такий спосіб. Припустимо, що ключ розімкнуть при негативних вхідних сигналах і замкнуть при позитивних. Коли ключ розімкнуто, отримуємо інвертуючий підсилювач з коефіцієнтом посилення -1, і негативна вхідна напруга на виході операційного підсилювача стає позитивною. Якщо ж ключ замкнутий, то пристрій набуває властивості повторювача. В результаті на виході операційного підсилювача отримуємо двонапівперіодно випрямлений сигнал. При інших фазах роботи ключа отримуємо ті самі вихідні сигнали, що і в класичному ключовому синхронному детекторі. Даний варіант має значно меншу швидкодію, порівняно з попереднім, його можна використовувати на частоті до 10 кГц.

Найбільш швидкодіючий синхронний ключовий детектор можна отримати на основі перемножувача сигналів. Принцип дії його простий. Якщо детектований та опорний сигнал мають однаковий знак, то після перемноження отримуємо позитивний сигнал, що зберігає форму детектованого. Промисловість випускає багато різновидів перемножувачів сигналів. Тільки деякі з них мають здатність перемножувати аналогові сигнали (наприклад, К525ПС2), і на їх основі можна створити схему ключового синхронного детектора з класичного властивостями. Більша частина перемножувачів сигналів використовується за прямим призначенням як перетворювачів частоти в радіоприймальній апаратурі (називаються там часто "подвійний балансний змішувач"). Їх також можна використовувати як синхронний детектор, проте на виході сигнал виходить диференціальний, з добавкою деякою постійною складовою, яку в подальшому можливо, потрібно буде видалити. Схема можливого варіанта синхронного детектора наведено на рис. 6.

Рис. 6

Детектор працює до частоти 1 МГц. На більш високих частотах виникають труднощі з формуванням опорного сигналу прямокутної форми, який повинен мати амплітуду близько 1 В. Підстроювальним резистором при відсутності сигналу, що детектується, виставляється нульова напруга на виході. Недоліком пристрою є залежність вихідної напруги від опорної амплітуди.

Цей детектор працює як синхронний і з опорним сигналом синусоїдальної форми до частот кілька сотень мегагерц, але це вже буде не ключовий синхронний детектор, а синхронний детектор на перемножувачі. Насправді, при перемноженні сигналів

Uccos(Ft + f) та Uccos(Ft) отримаємо

1/2*U0Uc[cos(f)+cos(2Ft+f)]

Другий сигнал з подвоєною частотою придушується інтегруючим ланцюжком на виході детектора, залишається

1/2U0Uccos(f).

Якісно той самий результат, що й у ключовому синхронному детекторі, але тепер з'являється залежність від величини опорного сигналу, що для вимірювальних схем не дуже добре.

література:

1. Ж. Макс. Методи та техніка обробки сигналів при фізичних вимірах. - Москва, "Світ", 1983, т. 2, с. 5-21.
2. В.С. Гутніков. Застосування операційних підсилювачів у вимірювальній техніці. - Москва, Енергія, 1975, с. 78. 79.

Автор: Генрі Пєтін

Дивіться інші статті розділу Радіоаматор-конструктор.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих ​​для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву Toshiba обіцяє випустити батарею із терміном служби 10 років 30.07.2007 Toshiba обіцяє випустити батарею з терміном служби 10 років або 5000 циклів перезаряду. Місткість може зменшитися тільки через 3000 циклів і лише на 10%. Крім того, розробники повідомляють про унікальну здатність батареї заряджатися на 90% лише за 5 хвилин. Toshiba розпочне виробництво Super Charge ion Battery (SCiB) наступного року, а до березня 2016 року планується продати 100 млрд батарей. Компанія називає свій винахід "проривом серед батарей, що перезаряджаються". Місткість кожного осередку - 4,2 А-год. Вона здатна видавати напругу 2,4 при вазі в 150 грам. Планується об'єднувати по 10 осередків. Таким чином, габарити батареї становитимуть 100х300х45 мм, а напруга – 24 В. Крім того, батарея демонструє високий ступінь безпеки. Катод стійкий до перегріву і має високу температуру займання. Дизайн батареї зроблений таким чином, щоб захистити її від внутрішнього замикання та теплової емісії. Займання та загоряння батареї практично виключені. Винахід планується використовувати для роботи моторолерів, електрокарів та інших невеликих транспортних засобів. Потенційно Toshiba планує використовувати напрацювання для використання у гібридних автомобілях та мобільних телефонах.

Інші цікаві новини:

▪ Опалення комп'ютерами

▪ Утилізація азбесту

▪ Дорослі оцінюють дітей за словами

▪ Смарт-устілки Zhor Tech

▪ Мініатюрні датчики сили Honeywell FMA

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Будинок, присадибне господарство, хобі. Добірка статей

▪ стаття Буржуазні забобони. Крилатий вислів

▪ статья Який традиційний салат в оригіналі готувався з ікрою, рябчиками та раками? Детальна відповідь

▪ стаття Бляхар. Посадова інструкція

▪ стаття Комп'ютерна миша для кварцового годинника. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Циліндрична лінза. Фізичний експеримент

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024