Схема синхронного детектора: Синхронный детектор с удвоением напряжения

Синхронный детектор с удвоением напряжения

Синхронный детектор с удвоением напряжения

Схемотехника сентябрь 2007 №9

Приводится схема двухполупериодного синхронного детектора с удвоением напряжения, позволяющая с использованием одной микросхемы детектировать обе ортогональные компоненты гармонического сигнала.

Синхронный детектор позволяет получить информацию об амплитуде и фазе принимаемого сигнала, а также подавить сопутствующие помехи [1]. По этой причине многообразные разновидности синхронных детекторов широко применяются в современной технике. Вместе с тем, применение неудачного варианта синхронного детектора может воспрепятствовать получению ожидаемых результатов.

Прежде всего, следует предостеречь от применения однополупериодного синхронного детектора [2]. На рис 1 показана его схема.

Рис. 1

Он состоит из электронного (или механического) ключа Кл и простейшего фильтра нижних частот RC, причём роль резистора R чаще всего выполняет внутреннее сопротивление источника входного сигнала и открытого ключа.

Рис. 2

Рис. 2 иллюстрирует его работу и не требует пояснений. Изъян такого детектора проявляется при наличии во входном напряжении Е_вх, наряду с полезным сигналом, переменного напряжения с частотой, много меньшей частоты полезного сигнала (например, инфранизкочастотных шумов входного каскада).

Рис. 3

На рис. 3 изображена положительная полуволна такого напряжения.

Как видно из рисунка, напряжение помехи практически беспрепятственно проходит через однополупериодный синхронный детектор, лишая его частотной избирательности.

Рис. 4

Рис. 5

Двухполупериодный синхронный детектор осуществляет инверсию чётных или нечётных полупериодов входного сигнала [3] с их последующим суммированием. При этом не только повышается коэффициент преобразования полезного сигнала (рис. 4), но и устраняются помехи от низкочастотных (относительно сигнала) напряжений, как показано на рис.

5.

Существует множество разновидностей опубликованных схем двухполупериодных синхронных детекторов [3-5]. Как правило, это дифференциальный операционный усилитель с поочерёдной подачей полупериодов детектируемого сигнала на инвертирующий и неинвертирующий входы, осуществляемой электронными ключами. Таким образом, для детектирования одной компоненты полезного сигнала требуется микросхема операционного усилителя и микросхема аналогового ключа (или дискретные полевые транзисторы), не считая многочисленных резисторов и конденсаторов («обвязки»).

Рис. 6

Автор предлагает для использования более простую и эффективную схему двухполупериодного синхронного детектора с удвоением напряжения. Она базируется на широко известной схеме двухполупериодного диодного выпрямителя с удвоением напряжения [6], в которой выпрямительные диоды заменены электронными ключами. Несмотря на тривиальность такого схемотехнического решения (рис 6), оно не встречалось в известной автору литературе.

Рис. 7

Здесь в нечётные полупериоды полезного сигнала происходит заряд конденсатора С_посл до его амплитудного значения, а в чётные — полезный сигнал, в сумме с полученным зарядом, поступает на выход устройства На рис 7 показан пример реализации двухполупериодного синхронного детектора с удвоением напряжения, детектирующего синфазную и квадратурную компоненты полезного сигнала на одной микросхеме аналогового переключателя К561КП1 (зарубежный аналог — микросхема CD4052BC).

Коммутирующие напряжения с частотой полезного сигнала f и удвоенной частотой 2f обычно нетрудно получить с помощью синтезатора частот или микроконтроллера.

Предложенный детектор использовался в десятках магнитометров и металлодетекторов при частотах от десятков герц до десятков килогерц и хорошо себя зарекомендовал.

Юрий Реутов, Екатеринбург

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях, т. 2. — М. : Мир, 1983.
2. В. А. Богденко. Феррозондовый магнитометр с миниатюрным датчиком. Приборы и техника эксперимента, 1993, № 3, с 157-160.
3. Г. Петин. Ключевой синхронный детектор. Схемотехника, № 3,2003, с. 14-15.
4. В. С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л.: Энергоатомиздат, 1988.
5. А. И. Щедрин. Новые металлоискатели для поисков кладов и реликвий. — М.: Горячая линия-Телеком, 2003.
6. А. А. Куликовский (ред.). Справочник радиолюбителя. — М.: ГЭИ, 1961.

Ключевой синхронный детектор | NiceTV

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*U_ccos(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*U_ccos(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*U_csin(f). В результате появляется возможность разделить активную и реактивную составляющие сигнала. Далее рассмотрим работу синхронного детектора в асинхронном режиме. Пусть F

c — частота детектируемого сигнала, F₀ — частота опорного сигнала, тогда фазовый сдвиг между этими сигналами будет равен j = (F_c — 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*10

6 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

U_ccos(Ft + f) и U_ccos(Ft) получим

1/2*U₀U_c[cos(f)+cos(2Ft+f)]

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

1/2U₀U_ccos(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.

Синхронная демодуляция/обнаружение AM » Electronics Notes

Синхронный АМ-детектор или демодулятор обеспечивает улучшенные характеристики по сравнению с простым диодным детектором, но требует большего количества компонентов.

---

Амплитудная модуляция, AM Учебное пособие Включает:
Амплитудная модуляция, AM Основная теория и формулы AM Полоса пропускания AM и боковые полосы Индекс модуляции и глубина эффективность AM Демодуляция / обнаружение AM Диодный детектор Синхронный детектор АМ-модуляторы Одна боковая полоса, SSB демодуляция SSB

Форматы модуляции: Типы и методы модуляции Модуляция частоты Фазовая модуляция Квадратурная амплитудная модуляция

---

Синхронная АМ-демодуляция обеспечивает некоторые значительные улучшения по сравнению с простым диодным детектором.

Улучшение характеристик синхронных детекторов требует использования дополнительных компонентов и усовершенствований, что, в свою очередь, увеличивает стоимость. В результате синхронные детекторы обычно используются только в высокопроизводительных приемниках, где стоимость не имеет большого значения.

Сегодня, с широким использованием интегральных схем, легко включить компоненты синхронного детектора в ИС с небольшими дополнительными затратами. Однако ранее недорогие AM-вещательные радиостанции, как правило, изготавливались из дискретных компонентов, где дополнительная схема для синхронного детектора значительно увеличивала стоимость, и поэтому они использовались редко.

Что такое синхронная демодуляция AM?

В простейшей форме обнаружения амплитудно-модулированного сигнала используется простой диодный выпрямитель. Для достижения улучшенных характеристик можно использовать форму демодуляции, известную как синхронная демодуляция.

При рассмотрении синхронной демодуляции АМ-сигнала в первую очередь полезно взглянуть на спектр амплитудно-модулированного сигнала. Можно видеть, что он содержит несущую с двумя боковыми полосами, несущими аудио или другую информацию, распространяющуюся по обеим сторонам. Эти две боковые полосы являются отражением друг друга. Цель процесса демодуляции состоит в том, чтобы извлечь информацию, содержащуюся в боковых полосах, с минимальными искажениями.

Спектр амплитудной модуляции

Для синхронной демодуляции используется микшер. Входящий сигнал подается на сигнальный вход смесителя, а на другой — сигнал гетеродина той же частоты, что и несущая входного сигнала. Этот процесс микширования преобразует несущую в сигнал с частотой 0 Гц, а боковые полосы — в полосу их основной полосы частот, т. е. восстанавливает звук.

Так как несущая имеет частоту 0Гц, на выходе появляется постоянное напряжение — уровень постоянного тока будет зависеть от фазы между несущей и гетеродином. Боковые полосы AM-сигнала будут отображаться относительно нулевой частоты, то есть как исходный звук или другой модулирующий сигнал.

Синхронная демодуляция

Преимущества синхронного обнаружения AM

За счет дополнительных компонентов и стоимости синхронный АМ-демодулятор обеспечивает ряд преимуществ с точки зрения производительности.

• Уменьшение эффектов выборочного затухания:   Для ВЧ-связи и, в частности, вещания, особое раздражение вызывает возникающее замирание. В некоторых случаях это может по-разному влиять на разные участки полосы пропускания AM-сигнала.

  Уровень несущей может затухать на десять-пятнадцать дБ относительно боковых полос, что затрудняет обнаружение огибающей и приводит к значительным уровням искажений. Поскольку методы синхронной демодуляции генерируют собственную несущую, эффекты выборочного затухания значительно уменьшаются, что значительно улучшает качество прослушивания.

• Снижение уровней искажений:   Диодный демодулятор AM обеспечивает очень высокий уровень искажений. Синхронная AM-демодуляция предлагает гораздо более низкие уровни искажений и, как результат, обеспечивает гораздо лучшее воспроизведение исходной модуляции. Искажение возникает из-за многих факторов, включая напряжение включения, необходимое для диода в детекторе огибающей, избирательное затухание, как упоминалось выше, и плохая настройка.
• Уровень сигнала:   При использовании диодных детекторов необходимо наличие достаточного уровня сигнала, чтобы преодолеть прямое смещение диода. Для синхронных детекторов это не проблема, поскольку смеситель, используемый в детекторе, может работать на очень низких уровнях.
• Улучшенное отношение сигнал/шум:   Ввиду использования синхронных методов схема способна обеспечить улучшение чувствительности.

Типы синхронных детекторов

Хотя все синхронные детекторы или синхронные демодуляторы используют одну и ту же базовую концепцию использования гетеродина на той же частоте, что и входящая несущая, и использования этого микса с входящим сигналом для извлечения звука, существует несколько методы достижения этого.

• Метод фильтрации:   Этот метод обеспечения синхронного обнаружения, вероятно, является наиболее очевидным. Это влечет за собой использование узкополосного фильтра для выделения несущей, а затем его использование для смешивания с общим сигналом.

  Этот метод требует, чтобы приемник был настроен точно на требуемую частоту, чтобы позволить несущей проходить через узкополосный фильтр. К счастью, в наши дни стабильность приемника не является проблемой, и после настройки он должен оставаться на требуемой частоте, но настройка критична для этого метода, и он не особенно успешен.

• Контур фазовой автоподстройки частоты:   Контур фазовой автоподстройки частоты особенно полезен во многих радиочастотных приложениях. В этой форме синхронного детектора используется петля фазовой автоподстройки частоты с фильтром узкой петли для захвата несущей и воспроизведения сигнала точно на той же частоте. Затем этот сигнал используется в качестве сигнала гетеродина для смешивания с входящим AM-сигналом для извлечения звука.

  Эта форма синхронного детектора хорошо работает, и этот подход использовался во многих радиоприемниках.

• Ограничивающий усилитель:  Другим методом создания синхронного детектора является использование ограничительного усилителя для генерации несущей. Часть сигнала берется из цепи усилителя ПЧ приемника и подается на цепь с очень высоким коэффициентом усиления. Усилитель будет ограничивать, и когда присутствует AM-сигнал, это удалит любое изменение амплитуды, то есть модуляцию, и оставит только несущую.
  
  Синхронный детектор усилителя с ограничением высокого усиления Это очень элегантный метод создания синхронного детектора, который не только прост, но и эффективно работает, не требуя сложных фильтров или даже контура фазовой автоподстройки частоты.

  Схема схемы синхронного детектора с ограничивающим усилителем представляет собой обычную цепь усилителя ПЧ. Выходной сигнал усилителя ПЧ подается на микшер. Выходной сигнал усилителя ПЧ также подается на усилитель-ограничитель, а его выходной сигнал подается на вход гетеродина смесителя. На выходе получается восстановленный звук, который можно усилить обычным аудиоусилителем.

Какой бы метод синхронного обнаружения ни использовался, он обеспечивает некоторые существенные преимущества по сравнению с диодным детектором огибающей с точки зрения снижения искажений, повышенной устойчивости к селективным замираниям и низкой производительности сигнала.

Другие основные темы радио:
Радиосигналы Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Модуляция частоты OFDM ВЧ микширование Петли фазовой автоподстройки частоты Синтезаторы частоты Пассивная интермодуляция ВЧ аттенюаторы ВЧ-фильтры РЧ циркулятор Типы радиоприемников Суперхет радио Избирательность приемника Чувствительность приемника Приемник с сильным сигналом Динамический диапазон приемника
    Вернуться в меню тем радио. . .

Статья о синхронном+детекторе из The Free Dictionary

Синхронный+детектор | Статья о синхронном+детекторе от The Free Dictionary

Синхронный+детектор | Статья о синхронном+детекторе от The Free Dictionary

---

Слово, не найденное в Словаре и Энциклопедии.

Возможно, Вы имели в виду:

Пожалуйста, попробуйте слова отдельно:

синхронный детектор

Некоторые статьи, соответствующие вашему запросу:

Не можете найти то, что ищете? Попробуйте выполнить поиск по сайту Google или помогите нам улучшить его, отправив свое определение.