Ключевой синхронный детектор

Схемотехника 2003 №3

Принцип действия ключевого синхронного детектора поясняет рис. 1. Устройство имеет дифференциальный вход. Два равных детектируемых сигнала подаются в противофазе на быстродействующий электронный переключатель. Для простоты на рис. 1 переключатель изображён 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 определённости 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 .

Рис.1.

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 ещё 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 нечётных гармониках частоты опорного сигнала.

Рис.2.

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 нечётных 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. 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 ёмкостью 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 четвёртого 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 приёма 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.

Рис.6.

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 радиоприёмной 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. 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, остаётся

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.

 

Генри Петин.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.