Синхронный детектор на перемножителе сигналов

Синхронный детектор на перемножителе сигналов

Синхронный детектор используется для демодуляции (детектирования) какого-либо модулированного (не постоянного) сигнала. В Сети отчего-то мало информации про синхронный демодулятор. Пожалуй, зафиксирую в этой заметке всё, что мне удалось про него узнать.

Часть 1. Схема генератора прямоугольного сигнала на микросхеме 4047.

Прежде, чем переходить к синхронному детектору, соберём генератор прямоугольного сигнала на одной микросхеме. Этот прямоугольный сигнал мы потом и будем подавать на синхронный детектор.

Обычно для таких генераторов используют транзисторные мультивибраторы или (чаще) таймер 555. При этом забывают про такую замечательную вещь, как CD4047 и её клоны. Это очень стабильный мультивибратор с широким диапазоном питающего напряжения (4.5 — 15.5 В) и минимальным обвесом (только времязадающая цепь). У него три выхода: #13 — прямой выход с мультивибратора, #10 и #11 — после делителя (с частотой вдвое меньше и инвертированные друг относительно друга; фактически — это фазоинвертор, он же — генератор парафазного сигнала).

На стр. 5 даташита подробно описано, какие ножки куда подсоединять для генерации нужного сигнала, а на стр. 13 есть указания по поводу номиналов времязадающей RC-цепи: сопротивление резистора должно быть не меньше 10k и не больше 1M, а ёмкость конденсатора — начинаться со 100 пФ. Частота генерации для фазоинвертора рассчитывается по формуле f = 1/(4.40 * R * C). Утверждается, что прямоугольник, снятый с ножек 10 или 11, будет иметь куда более крутые фронты по сравнению с сигналом на 13 ножке. Просчитаем схему для частоты 1 кГц. Конденсатор у меня был под руками керамический 0.01 мк (чрезвычайно распространённый) — самое то. Вычисляем сопротивление резистора: R = 1/(4.40 * 1000 Гц * 0.00000001 Ф) = 22727 Ом. По ряду номиналов радиодеталей подбираем ближайшее значение: 22 кОм. Схема устройства:На выходе у него будет почти идеальный меандр с амплитудой 5 В и частотой 1033 Гц (

1 кГц). Теперь нам нужно проинтегрировать этот меандр, чтобы получить постоянное напряжение. Для этого мы используем синхронный детектор.

Часть 2. Синхронный детектор. Что это такое и с чем его едят?

Синхронный детектор, по сути, — та же самая интегрирующая RC-цепочка, но на её вход подаётся демодулированный сигнал. Демодуляция делается для того, чтобы выделить из входящего сигнала только полезный, отсекая всякий шум. В качестве демодулятора выступает аналоговый ключ. Схематичное изображение такого ключа представлено на рисунке ниже.Когда на управляющем входе S находится низкий уровень, вход A соединён с выходом B1, а когда на S подаётся высокий уровень, A соединяется с B2. Если на S и A синхронно подавать один и тот же прямоугольный сигнал, на B2 появится пульсирующий ток с амплитудой A и частотой S (fA = fS, если сигнал S равен сигналу A), а на выходе B1 будет ноль. Теперь представим ситуацию, когда сигнал с вывода #10 микросхемы 4047 проходит через какую-либо среду и затем должен быть проинтегрирован. Мы не знаем, каким трансформациям подвергся сигнал в этой среде.На графике А’ представлен исходный сигнал, на графике Б’ — сигнал, прошедший через некую среду. Как видите, он искажён. Если мы начнём его интегрировать, то получим ерунду. От заваленных фронтов нужно избавиться. Для этого сигнал Б’ мы подаём на вход A аналогового ключа, исходный сигнал А’ — на вход S ключа, и на выходе B2 ключа получаем сигнал В’. Амплитуды у Б’ и В’ одинаковы, зато частота и форма сигнала В’ такая же, как у сигнала А’. И вот с выхода B2 сигнал В’ подаётся на интегрирующую RC-цепочку.Интегралом меандра будет прямая линия с напряжением в два раза меньшим, чем амплитуда сигнала В’ (так как у меандра длительность высоких и низких уровней одинакова). На следующем рисунке светло-серым цветом обозначен исходный сигнал, чёрным — сигнал после демодулятора (это исходный сигнал, прошедший через некую среду, и потому его амплитуда меньше), тёмно-серым — проинтегрированный демодулированный сигнал:Итоговая схема синхронного детектора выглядит так:Осталось подобрать номиналы элементов интегрирующей цепи.

Часть 3. Расчёт номиналов элементов интегрирующей RC-цепи.

Воспользуемся формулой f = 1/(2Pi * R * C). Частота у нас на входе 1 кГц, конденсатор возьмём 0.1 мк. R = 1/(2Pi * 1000 Гц * 0.0000001 Ф) = 1591 Ом. Однако, не следует спешить ставить в схему резистор номиналом 1.5 кОм. Сначала посчитаем постоянную времени t = RC = 1500 Ом * 0.0000001 Ф = 0.00015 с. Теперь посчитаем период входного сигнала T = 1/F = 1/1000 = 0.001. И вот тут есть тонкость. На практике оказывается, что интегрирующая цепь будет хорошо работать (выпрямлять ток) только в том случае, если t >> T. Поэтому резистор всегда выбирают на один-два порядка больше, чем требуется по расчёту. Возьмём 150 кОм. Посчитаем теперь: t = 150000 Ом * 0.0000001 Ф = 0.015 с, 0.015 >> 0.001. Итак, условие выполняется. Ну, и теперь прикинем инерционность нашего интегратора. Конденсатор заряжается или разряжается на 99% за время 5t. В нашем случае: 5 * 0.015 = 0.075 с. Достаточно быстро.

Читайте также:  Готика 3 настройка ini

В качестве ключей можно порекомендовать серию 3157 или DG419.

В отличие от обычного амплитудного детектора синхронный детектор выделяет огибающую сигнала, синхронного и синфазного с дополнительным опорным сигналом, т.е. имеющего такие же частоту и фазу, как и опорный сигнал. Для этого на вход синхронного детектора кроме детектируемого сигнала подается еще и опорный сигнал.

Рис. 2.35. Структурная схема синхронного детектора

Существует несколько разновидностей синхронных детекторов. Структурная схема основного варианта представлена на рис. 2.35. На некий нелинейный элемент, изображенный на схеме как перемножи- тель, подаются детектируемый сигнал мвх(/) = ит <1)со8(со/ + ф) с неизвестной начальной фазой ф и опорный сигнал А со5(со0, где они перемножаются.

В результате перемножения получается сигнал

Первое слагаемое в выражении (2.30) — это высокочастотный сигнал, который ФНЧ не пропустит. На выходе ФНЧ будет только низкочастотная составляющая, т.е.

Таким образом, выходной сигнал оказывается пропорциональным амплитуде входного сигнала при любых уровнях входного сигнала, т.е. синхронный детектор обеспечивает линейный режим детектирования при любых, сколь угодно малых, уровнях сигнала. Это выгодно отличает синхронный детектор от других видов детекторов.

Второе преимущество синхронного детектора состоит в возможности отделения помехи от сигнала после детектирования. Пусть кроме полезного сигнала на вход синхронного детектора попадает сигнал помехи , причем несущая частота

помехи соп очень близка к частоте сигнала со, но не равна ей. Тогда после перемножения с опорным сигналом и прохождения через ФНЧ на выходе детектора сигнал помехи будет иметь вид:

Поскольку соп * ш, это будет низкочастотный сигнал, который можно отделить от полезного сигнала с помощью фильтра.

Еще одна особенность синхронного детектора состоит в том, что согласно (2.31) значение продетектированного сигнала зависит от фазы входного сигнала (р. Это обстоятельство можно использовать для детектирования фазомодулированных сигналов (ФМ-сигналов). Однако в тех случаях, когда задача детектирования состоит в выделении огибающей входного сигнала, фаза которого неизвестна или изменяется во времени, зависимость продетектированного сигнала от фазы становится мешающим фактором.

Для выделения огибающей в «чистом» виде при неизвестной или переменной фазе сигнала используется более сложное устройство, структурная схема которого изображена на рис. 2.36. Схема содержит два синхронных детектора, на один из них подается опорный сигнал A cos (со/), на второй — A sin (оэ/). Рассмотрим работу этого устройства.

Детектируемый входной сигнал можно записать в виде

После перемножения этого сигнала с опорным сигналом A cos (со/) в первом канале получим

Рис. 2.36. Усовершенствованная структурная схема синхронного детектора а после фильтра нижних частот будем иметь

Аналогично во втором канале после перемножения с опорным сигналом А ьт(ю/) находим

а после фильтра нижних частот

Далее сигналы г((/) и г2(/) возводятся в квадрат и складываются. В результате исключается зависимость продетектированного сигнала от фазы:

И, наконец, после операции извлечения квадратного корня получается выходной сигнал

Операции перемножения, возведения в квадрат и извлечения квадратного корня требуют высокой точности выполнения, поэтому такую обработку сигнала целесообразно проводить с помощью цифровой техники.

В качестве синхронного детектора обычно используется аналоговый перемножитель сигналов. При этом на один из входов аналогового перемножителя поступает амплитудно-модулированный сигнал uc(t) (1), на другой вход – опорное когерентное колебание u0(t). В результате перемножения колебаний на выходе образуются низкочастотная составляющая 0,5ua(t)U0 и высокочастотная составляющая 0,5ua(t)U0cos(2ct), которая устраняется на выходе с помощью фильтра низкой частоты CнRн. К основным преимуществам синхронного детектора относятся:

Читайте также:  Как удалить zona с компьютера windows 7

малые нелинейные искажения uвых(t), вследствие работы при достаточно больших напряжениях опорного колебания в режиме детектирования «сильных» сигналов;

возможность подключения в качестве нагрузки ФНЧ с полосой прозрачности, величина которой не зависит от значений частоты max модулирующего колебания;

высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает хорошее согласование с соседними каскадами устройств обработки сигналов.

Однако преимущества синхронного детектирования амплитудно-модулированных сигналов реализуются лишь при точной синхронизации опорного и несущего колебаний. В реальных устройствах возможен фазовый сдвиг между указанными колебаниями, вызванный задержкой в цепи формирования опорного колебания.

При наличии фазового сдвига 0 амплитуда колебания на выходе синхронного детектора будет равна:

. (21)

Разлагая (21) в степенной ряд и ограничиваясь первыми членами разложения, можно получить:

.

Если входной сигнал u(t) имеет амплитудную модуляцию вида ua(t)=Uc[1+macosΩt], то полезный сигнал на выходе синхронного детектора (без учета коэффициентов усиления) имеет вид:

Из выражения (22) следует, что максимальное значения uвых(t) достигается при величине 2k, что и следовало ожидать.

Синхронное детектирование основано на операции умножения сигналов.

Пусть на входы умножителя подаются два гармонических сигнала: так называемый опорный сигнал с постоянными частотой и амплитудой r(t) = R sin(Rt) и сигнал s(t) = S sin(t+). Тогда выходной сигнал умножителя будет иметь вид:

В результате умножения появляются гармонические составляющие на суммарной (+R) и разностной (-R) частотах .

В синхронном детекторе используется составляющая на разностной частоте. Ее выделяет фильтр низких частот, включенный на выходе умножителя. Фильтр пропускает сигналы с частотами ниже частоты среза фильтра C и подавляет более высокочастотные сигналы. Частота среза устанавливается намного меньшей, чем опорная частота R. Поэтому ненулевой отклик на выходе фильтра дадут лишь те сигналы, частоты которых близки к опорной частоте (отличаются от опорной частоты на величину, не превышающую частоту среза фильтра низких частот).

В случае, когда частота сигнала точно равна опорной частоте (сигналы на входах умножителя синхронны — отсюда название детектора), в результате умножения появится составляющая с нулевой разностной частотой, т.е. постоянная составляющая. На выход фильтра пройдет только эта постоянная составляющая. Для фильтра с коэффициентом передачи в полосе пропускания, равным единице, выходной сигнал будет равен:

yS(t) = const = R S cos() /2 .

Т.о. выход синхронного детектора пропорционален амплитуде входного сигнала и зависит от фазового сдвига относительно опорного сигнала.

Если изменить фазу опорного сигнала на /2, т.е. взять его в виде r(t) = R cos (Rt) , то в синхронном режиме выходной сигнал будет равен:

yC(t) = const = R S sin() /2 .

Сигналы yS и yC пропорциональны квадратурным составляющим Scos() и Ssin() измеряемого гармонического сигнала s(t) и позволяют определить его фазу и амплитуду раздельно:

На основе предыдущего рассмотрения можно качественно пояснить работу синхронного детектора при воздействии негармонического сигнала s(t), имеющего в общем случае непрерывный спектр s(). В результате умножения на гармонический опорный сигнал r(t) происходит сдвиг спектра по оси частот на величину, равную частоте опорного сигнала R, а фильтр “вырезает” из сдвинутого спектра область низких частот || 6 .

Таким образом, синхронный детектор обладает свойствами, важными для обработки сигналов:

— чувствителен к фазе и амплитуде измеряемого сигнала,

— обладает высокой частотной избирательностью.

Благодаря этому синхронное детектирование широко используется в технике связи, разнообразной измерительной аппаратуре, при проведении экспериментальных исследований.

Типичный пример использования синхронного детектора — регистрация слабого сигнала от исследуемой системы на фоне шумов и помех (Рис.3). На систему подается переменное воздействие от генератора. Слабый зашумленный отклик системы усиливается и поступает на синхронный детектор. Опорным сигналом служит выход генератора. При необходимости компенсации фазового сдвига, возникающего в исследуемой системе, в цепь сигнала или в цепь опорного сигнала включают фазовращатель — устройство, позволяющее регулировать фазу сигнала. Выделение сигнала из шума происходит за счет высокой частотной избирательности синхронного детектора. Может регистрироваться как амплитуда отклика, так и сдвиг фазы, возникающий в исследуемой системе.

Читайте также:  Составить программу перевода двоичного числа в десятичное

Синхронный детектор может использоваться для детектирования сигналов с различными видами модуляции — амплитудной, частотной и фазовой. Для этого опорный сигнал настраивается на частоту несущей модулированного сигнала, а полоса пропускания фильтра низких частот делается шире полосы боковых составляющих сигнала. В результате умножения спектр сигнала смещается в низкочастотную область, причем несущая переносится на нулевую частоту. Фильтр низких частот пропускает боковые составляющие (модулирующий сигнал) и подавляет помехи и шумы, лежащие вне полосы частот модулирующего сигнала. Для иллюстрации на Рис.4 показано преобразование спектра при детектировании сигнала, амплитуда которого модулирована по гармоническому закону с частотой F.

Умножение сигналов в синхронном детекторе производится с помощью электронных устройств с управляемыми параметрами, например с помощью усилителя, коэффициент усиления которого изменяется под действием опорного сигнала. Широко применяются специальные интегральные микросхемы аналоговых умножителей сигналов, выполняющие операцию умножения с высокой точностью.

Опорный сигнал синхронного детектора не обязательно должен быть гармоническим. Важно лишь, чтобы его частота совпадала с частотой измеряемого сигнала. Тогда величина постоянной составляющей, возникающей на выходе умножителя, будет по-прежнему пропорциональна амплитуде измеряемого сигнала (в силу линейности операции умножения по отношению к сигналу). Зависимость же постоянной составляющей от разности фаз измеряемого и опорного сигналов определяется конкретной формой этих сигналов.

На практике часто используется разновидность синхронного детектора, в котором опорный сигнал имеет форму меандра. В этом случае операция умножения на опорный сигнал сводится к изменению знака сигнала в соответствии со знаком опорного сигнала и может быть сравнительно просто реализована с помощью различных электронных переключателей (диодных, транзисторных, специальных интегральных схем). Такой вид перемножителя также называется балансным модулятором или демодулятором — в зависимости от функции, выполняемой перемножителем.

Рис.5 иллюстрирует преобразование сигнала в балансном демодуляторе. В качестве примера взят сигнал пилообразной формы. Асимметрия выходного сигнала демодулятора относительно нуля указывает на наличие постоянной составляющей, а уменьшение периода вдвое — на появление второй гармоники. Постоянная составляющая соответствует нулевой разностной частоте перемножаемых сигналов, а вторая гармоника — суммарной частоте.

Особенность синхронного детектора с прямоугольным опорным сигналом, а также с периодическим опорным сигналом другой формы заключается в том, что в результате умножения в низкочастотную область переносятся составляющие сигнала, лежащие вблизи частот всех гармоник опорного сигнала R, 2R, 3R и т.д. В случае узкополосного сигнала это ухудшает отношение сигнал/шум детектора по сравнению со случаем гармонического опорного сигнала. Это объясняется тем, что вместе с полезным сигналом на выход детектора попадают составляющие шума и помех на кратных частотах, где сигнал отсутствует. От этого недостатка обычно избавляются с помощью предварительной фильтрации сигнала с помощью селективного фильтра с относительно невысокой добротностью, который устраняет шумы и помехи на кратных частотах.

В различных системах регистрации фазы, т.е. в случаях, когда амплитуда сигнала не несет полезной информации, оба сигнала, подаваемых на синхронный детектор, предварительно преобразуют в сигналы прямоугольной формы с фиксированной амплитудой. Преобразование осуществляется, например, с помощью амплитудных ограничителей или компараторов. Постоянная составляющая, возникающая в результате перемножения двух прямоугольных сигналов одинаковой частоты, линейно зависит от разности фаз.

На Рис.6 показано перемножение симметричных сигналов прямоугольной формы, имеющих разные фазы (измеряемый сигнал опережает опорный). Фазовый сдвиг , временной сдвиг T и период T сигналов связаны простой пропорцией:

Из рисунка легко видеть, что постоянная составляющая, равная среднему значению выходного сигнала, линейно зависит от временного сдвига сигналов T и, следовательно, от разности фаз . При нулевой разности фаз (нулевом сдвиге T) постоянная составляющая принимает максимальное значение A (A — амплитуда прямоугольного выходного сигнала). Для противофазных сигналов (разность фаз равна + или -) эта составляющая минимальна и равна -A. При разности фаз +/2 или -/2 сигналы взаимно ортогональны, и среднее значение на выходе равно нулю. На Рис.7 представлена результирующая фазовая характеристика.

Регулировки в радиоприемниках: классификация, назначения, типы регулировок, достоинства и недостатки, области применения.

Регулировки усиления в РПМУ: виды регулировок, режимы работы АРУ, способы осуществления, достоинства и недостатки, области применения.

Ссылка на основную публикацию
Сетевой город 71 щекино школа 12
Запрошенная Вами страница не найдена. Возможно, Вы перешли по устаревшей ссылке или неверно ввели адрес. 2019 Электронное образование Министерство по...
Самый лучший музыкальный центр по звуку
На первый взгляд, сегодня мало кому в голову придет купить музыкальный центр себе домой, когда прослушивать музыку можно, просто подключив...
Самый лучший плеер для виндовс 7
Чтобы просмотр фильмов или прослушивание музыки за компьютером было действительно комфортным, необходимо скачать по-настоящему качественный проигрыватель. Ниже представлена подборка из...
Сетевой драйвер для ноутбука асер
Драйвера для ноутбуков и нетбуков Acer Поддерживаемые операционные системы: Windows 7 Для начала загрузки данного файла, найдите под пунктом номер...
Adblock detector