Ключевой синхронный детектор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Принцип действия ключевого синхронного детектора поясняет рис. 1.

Рис. 1

Устройство имеет дифференциальный вход. Два равных детектируемых сигнала подаются в противофазе на быстродействующий электронный переключатель. Для простоты на рис. 1 переключатель изображен как механический. Будем считать, что он идеален, т. е. переключение происходит мгновенно и его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю. Работой переключателя управляет сигнал, обычно называемый опорным. Пусть опорный сигнал управляет работой переключателя так, что его подвижный контакт всегда соединяется с тем входом, на котором в данный момент существует положительное напряжение. Такое возможно, если опорный сигнал синхронизирован с детектируемым, поэтому данный детектор и называют синхронным. Для определенности полезно ввести понятие угла фазового сдвига j между детектируемым и опорным сигналом, в данном случае j = 0. На выходе ключа получим сигнал, по форме совпадающий с двухполупериодно выпрямленным сигналом. Далее этот сигнал проходит через интегрирующую RC-цепочку, сглаживающую пульсации выпрямленного напряжения. На выходе цепочки напряжение будет равно 2/PI*Uc .

Выпрямление произошло без участия нелинейных элементов. Здесь мы обнаруживаем первое замечательное свойство синхронного детектора - способность линейно детектировать при любой амплитуде детектируемого сигнала. Этим он чрезвычайно привлекателен для многочисленных применений. К сожалению, не всегда можно реализовать синхронный опорный сигнал.

Если фазу опорного сигнала поменять на 180°, то выходное напряжение поменяет полярность, так как переключатель будет пропускать только отрицательные полуволны входного напряжения. Если сдвиг по фазе будет равен 90°, то переключатель будет пропускать и положительные и отрицательные полуволны, как это видно на рис. 1. На выходе интегрирующей цепочки сигнал будет равен нулю. Анализ схемы устройства при произвольном фазовом сдвиге приводит к выводу, что на выходе интегрирующей цепочки в этом случае сигнал равен 2/PI*Uccos(f). Второе замечательное свойство синхронного детектора заключается в его фазовых свойствах. Он может работать как фазовый детектор.

Рассмотрим одно из применений такого фазового детектора. Если помимо данного синхронного детектора, выдающего на выходе сигнал 2/PI*Uccos(f), использовать еще один такой же детектор, фаза опорного сигнала которого дополнительно смещена на 90°, то на выходе этого дополнительного детектора сигнал будет равен 2/PI*Ucsin(f). В результате появляется возможность разделить активную и реактивную составляющие сигнала.

Далее рассмотрим работу синхронного детектора в асинхронном режиме. Пусть Fc - частота детектируемого сигнала, F0 - частота опорного сигнала, тогда фазовый сдвиг между этими сигналами будет равен j = (Fc - F0)t. В результате на выходе синхронного детектора получается не постоянное, а переменное напряжение разностной частоты. 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 определяется выражением

Частотная зависимость амплитуды этого сигнала получается такой же, как и у обычного колебательного контура с добротностью Q = F0RC, полосой пропускания df = 1/(PI*RC) и резонансной частотой F0 . Однако имеется существенное качественное различие. Когда мы имеем дело с колебательным контуром, частота на его выходе всегда равна частоте поданного сигнала. Для синхронного детектора частота выходного сигнала равна разности частот опорного сигнала и детектируемого. Колебательный контур имеет единственную резонансную частоту, а у синхронного детектора наблюдаются резонансные максимумы на всех нечетных гармониках частоты опорного сигнала.

На рис. 2 показана частотная характеристика синхронного детектора с добротностью 100. Резонансы наблюдаются на нулевой частоте, частоте, совпадающей с частотой опорного сигнала, утроенной частоте и на всех дальнейших нечетных гармониках опорного сигнала Такая многочастотность затрудняет использование синхронного детектора, и для того, чтобы этот недостаток не проявлялся, перед синхронным детектором приходится ставить обычную частотно-избирательную систему, подавляющую нежелательные полосы пропускания. Третье замечательное свойство синхронного детектора - его частотно-избирательные характеристики.

Рис. 2

Если синхронный детектор работает в синхронном режиме и детектирует модулированный сигнал, его частотно-избирательные свойства проявляются для продетектированного сигнала. Полоса пропускания синхронного детектора для продетектированного сигнала сокращается в два раза:

df = 1/(2*PI*RC)

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. Для примера, на частоте 1 МГц с сопротивлением 1 МОм и емкостью 1 мкФ получим добротность 6,28*106 и полосу пропускания 0,3 Гц. Такую добротность не удастся получить даже с хорошим кварцевым резонатором. Между тем достижима полоса пропускания даже 0,001 Гц. Впрочем, такая экзотическая полоса может потребоваться лишь при измерениях чрезвычайно слабых сигналов.

Рис. 3

Частотно-избирательные свойства синхронного детектора можно существенно улучшить, используя вместо интегрирующей RC-цепочки 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 контурами. На рис. 3 показан пример схемы активного фильтра второго порядка, который можно применить вместо интегрирующей RC-цепочки.

Полоса пропускания такого фильтра

df=1/(2*PI/RC)

Синхронный детектор чаще всего используется в синхронном режиме. Для этого необходимо иметь синхронный опорный сигнал. Если детектор входит в состав какого-либо закрытого измерительного комплекса, то проблемы с созданием синхронного опорного сигнала обычно нет. Трудности возникают при детектировании сигналов, пришедших извне, например, радиосигналов. В телевидении в качестве опорной используют выделенную частоту несущего сигнала изображения. Для радиовещательного приема опорный сигнал можно организовать, используя систему ФАПЧ. Для решения этой задачи выпускают специализированные интегральные схемы.

В асинхронном режиме на выходе получается сигнал разностной частоты. Если это нежелательно, тогда можно поступить следующим образом. Нужно использовать два синхронных детектора, опорные сигналы которых сдвинуты на 90°. Полученные на выходах этих детекторов сигналы необходимо возвести в квадрат и сложить. Затем из полученной суммы извлечь квадратный корень. В результате получится сигнал, не содержащий разностной частоты:

Легко осуществить реализацию классической схемы синхронного детектора, используя два аналоговых ключа (рис. 4).

Рис. 4

Такой детектор может работать на частоте до 1 МГц. В комплексе вместе с формирователями входных и опорных сигналов устройство получается несколько громоздким. Поэтому иногда можно отдать предпочтение более простому варианту по схеме на рис. 5.

Рис. 5

Работает такой детектор следующим образом. Предположим, что ключ разомкнут при отрицательных входных сигналах и замкнут при положительных. Когда ключ разомкнут, получаем инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -1, и отрицательное входное напряжение на выходе операционного усилителя становится положительным. Если же ключ замкнут, то устройство приобретает свойство повторителя. 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. Данный вариант имеет значительно меньшее быстродействие по сравнению с предыдущим, его можно использовать на частоте до 10 кГц.

Наиболее быстродействующий ключевой синхронный детектор можно получить на основе перемножителя сигналов. Принцип действия его прост. Если детектируемый и опорный сигнал имеют одинаковый знак, то после перемножения получаем положительный сигнал, сохраняющий форму детектируемого. Промышленность выпускает очень много разновидностей перемножителей сигналов. 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 там часто "двойной балансный смеситель"). Их также можно использовать как синхронный детектор, однако на выходе сигнал получается дифференциальный, с добавкой некоторой постоянной составляющей, которую в последующем возможно нужно будет удалить. Схема возможного варианта синхронного детектора приведена на рис. 6.

Рис. 6

Детектор работает до частоты 1 МГц. На более высоких частотах возникают трудности с формированием опорного сигнала прямоугольной формы, который должен иметь амплитуду около 1 В. Подстроечным резистором при отсутствии детектируемого сигнала выставляется нулевое напряжение на выходе. Недостатком устройства является зависимость выходного напряжения от амплитуды опорного.

Этот детектор работает как синхронный 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. В самом деле, при перемножении сигналов

Uccos(Ft + f) и Uccos(Ft) получим

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

Второй сигнал с удвоенной частотой подавляется интегрирующей цепочкой на выходе детектора, остается

1/2U0Uccos(f).

Качественно тот же результат, что и в ключевом синхронном детекторе, но теперь появляется зависимость от величины опорного сигнала, что для измерительных схем не очень хорошо.

Литература:

1. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. - Москва, "Мир", 1983, т. 2, с. 5-21.
2. В.С. Гутников. Применение операционных усилителей в измерительной технике. - Москва, Энергия, 1975, с. 78. 79.

Автор: Генри Петин

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Спасение коралловых рифов пересадкой доноров 10.12.2024

Ученые из Университета Бар-Илана предложили пересаживать фрагменты экосистемы здорового коралла на поврежденный. В результате здоровая экосистема помогает кораллу восстановиться. В новом исследовании был применен метод "пересадки экосистемы кораллового рифа". Он заключается в том, что со здорового рифа берется разнообразное сообщество организмов, в том числе беспозвоночных и микробов, выращивается на терракотовой плитке, а потом вместе с плиткой переносится на поврежденный риф. Эксперименты показали заметное улучшение здоровья кораллов: повысилась эффективность фотосинтеза и увеличилась популяция симбиотических водорослей. Результаты показали, что пересадка здоровой экосистемы может значительно повысить жизнестойкость и физиологические функции кораллов. Важным элементом эксперимента являются сами терракотовые плитки. Они повторяют сложную 3D-структуру природных коралловых рифов и обеспечивают удобную среду для разнообразных организмов. Ученые подробно описали проведенный эк ...>>

Разработана долговечная алмазная батарея 10.12.2024

Британские ученые построили уникальную батарею, способную работать тысячелетиями. Это устройство, получившее название алмазной батареи, основано на использовании радиоактивного изотопа углерода-14 и может стать революцией в мире энергетики. Принцип работы алмазной батареи схож с работой солнечных панелей, но с одной важной разницей: вместо света она использует радиоактивный распад углерода-14. Углерод-14 - это радиоактивный изотоп, известный по методу радиоуглеродного датирования, который широко применяется в археологии и геологии для определения возраста органических материалов. При распаде углерода-14 высвобождаются электроны, которые алмазная структура улавливает и преобразует в электрический ток. Этот процесс обеспечивает стабильное и долговечное производство энергии, так как период полураспада углерода-14 составляет около 5700 лет. Алмазная батарея обладает рядом значительных преимуществ: 1. Долговечность: Благодаря стабильности радиоактивного изотопа устройство способ ...>>

Влияние просмотра телевизора на размер мозга 09.12.2024

Продолжительный просмотр телевизора может негативно сказаться на здоровье мозга, снижая объем серого вещества - области, где сосредоточены нейроны, ответственные за обработку информации. Эти данные были получены в рамках исследования, проведенного командой ученых из Школы общественного здравоохранения Блумберга при Университете Джонса Хопкинса. Возглавлял проект Райан Догерти. Ученые анализировали данные крупного долгосрочного исследования "Развитие риска коронарных артерий у молодых взрослых" (CARDIA), начатого в 1985 году при поддержке Национального института сердца, легких и крови США. В исследовании участвовали более 5000 человек из четырех городов Соединенных Штатов, и его цель заключалась в изучении факторов, влияющих на здоровье на протяжении жизни. Один из аспектов, изученных в рамках CARDIA, был связан с привычками участников, включая время, проводимое перед экраном телевизора. Выяснилось, что те, кто смотрел телевизор более 1,4 часа в день, к 50 годам теряли около 0,5% ...>>

Случайная новость из Архива Лазерный передатчик радиочастотных волн 08.05.2019 Группе исследователей из Гарвардского университета удалось передать в эфир аудиозапись одного из музыкальных произведений при помощи радиопередатчика, ключевым компонентом которого стал полупроводниковый лазер. Этот лазер используется в качестве источника радиочастотных волн, генератора, помимо этого он же выполняет функции модуляции передаваемых и демодуляции принимаемых сигналов. Данные исследования являются первыми шагами в направлении создания новых типов гибридных электронных фотооптических устройств, которые станут базой работы сверхскоростных систем беспроводной связи, Wi-Fi следующего поколения. Создание лазерного радиопередатчика стало продолжением работы, выполненной исследователями в 2017 году. Тогда ученые обнаружили, что инфракрасная частотная гребенка, создаваемая квантовым каскадным лазером, может быть использована для производства радиосигналов в терагерцовом диапазоне, субмиллиметровом диапазоне электромагнитного спектра. Сигналы этого диапазона имеют потенциал передачи данных в больших количествах и со скоростями, намного превышающими возможности современных средств беспроводной связи. А в 2018 году ученые нашли, что квантовые каскадные лазеры могут работать одновременно в качестве приемников и передатчиков, весьма эффективно кодируя информацию в излучаемых сигналах. В отличие от обычных лазеров, которые излучают свет с единственной частотой, лазерные частотные гребенки излучают целый набор фиксированных частот одновременно. Эти фиксированные частоты располагаются равномерно на линии спектра и напоминают зубцы расчески. И если выделить определенные частоты из гребенки, создаваемой лазером, то электроны внутри резонатора лазера начинают колебаться с микроволновыми частотами, находящимися в пределах спектра, который можно использовать для беспроводных коммуникаций.

Другие интересные новости:

▪ Платформа VIA Vpai 720 для выпуска камер панорамной съемки

▪ Кроманьонец был умнее нас

▪ Кушать ночью - опасно для мозга

▪ Улучшения электромобилей Tesla

▪ Телевизионная приставка Pipo X7

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электронные справочники. Подборка статей

▪ статья Островский Александр Николаевич. Знаменитые афоризмы

▪ статья Почему у змей нет ног? Подробный ответ

▪ статья Работа с колющими, режущими инструментами и приспособлениями (иглами, ножом, ножницами). Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Усилитель низкой частоты на микросхеме KIA6210. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Защитный выключатель постоянного напряжения питания. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2024