А.В. Степанов - Описание задачи - Синхронный детектор

16

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

Практикум кафедры физики колебаний

Описание задачи

СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Составил А.В. Степанов

Москва 1997 г.

ПРИНЦИП СИНХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

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:

x(t) = r(t) s(t) = R S ( cos((-_R)t+) - cos((+_R)t+) ) /2

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:

y_S(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:

y_C(t) = const = R S sin() /2 .

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

S² = y_C² + y_S² , tg() = y_C/y_S

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 || < _C. Т.е. синхронный детектор действует как полосовой фильтр, настроенный на частоту опорного сигнала и имеющий полосу пропускания, равную частоте среза фильтра низких частот.

Частотная избирательность синхронного детектора определяется полосой пропускания фильтра низких частот и может быть сделана очень высокой, трудно достижимой путем прямой фильтрации сигнала. Например, при частоте опорного сигнала 1Мгц и частоте среза фильтра 1Гц добротность колебательного контура, который бы обеспечивал избирательность, равную избирательности синхронного детектора, должна составлять порядка 10⁶.

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.

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:

/2 = T/T .

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.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка для изучения работы синхронного детектора включает сам синхронный детектор, генератор с электронной перестройкой частоты и фильтр, служащий для амплитудной и фазовой модуляции выходного сигнала генератора. Основные узлы установки, элементы управления, входные и выходные точки сигналов изображены на лицевой панели установки (Рис.8). При выполнении работы дополнительно используются промышленные измерительные приборы (генератор низкой частоты, генератор шума, осциллограф, вольтметр), с работой которых следует ознакомиться по отдельным описаниям.

СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР. Упрощенная схема синхронного детектора представлена на Рис.9.

Основным элементом синхронного детектора является перемножитель (демодулятор), собранный на операционном усилителе ОУ2 и электронном ключе. Под действием управляющего сигнала ключ замыкает (или размыкает) неинвертирующий вход ОУ2 на землю. При замкнутом ключе ОУ2 работает по схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления K = -1, а при разомкнутом ключе - по схеме неинвертирующего усилителя с K = 1.

Ключ управляется выходным сигналом компаратора, который сравнивает напряжение, подаваемое на опорный вход, с нулевым потенциалом. При отрицательном опорном напряжении компаратор вырабатывает положительный выходной сигнал величиной 5В, и ключ разомкнут (K = 1), а при положительном опорном напряжении выходной сигнал компаратора равен нулю, и ключ замкнут (K = -1). Таким образом, эта часть схемы умножает входной сигнал на обратный знак опорного сигнала.

На сигнальном входе демодулятора включен инвертирующий усилитель-сумматор на операционном усилителе ОУ1. Сумматор служит для формирования смеси полезного сигнала и шума на входе детектора. Выходной сигнал усилителя (точка КОНТРОЛЬ) равен сумме, взятой с противоположным знаком, сигнала на входе 1:1 и ослабленного в 10 раз сигнала на входе 1:10.

В результате выходной сигнал демодулятора равен произведению знака опорного сигнала и сигнала, подаваемого на вход 1:1 или 1:10 .

Выходной сигнал демодулятора поступает на фильтр низких частот (Рис.10). Фильтр собран на операционном усилителе и представляет собой фильтр Баттерворта второго порядка (крутизна спада амплитудно-частотной характеристики вне полосы пропускания составляет 12дБ/октава, октава - изменение частоты в два раза). Амплитудно-частотная характеристика фильтра описывается выражением:

| K(f) |² = K_O² / ( 1 + (f/f_C)⁴ ) .

Коэффициент усиления фильтра в полосе пропускания K_O примерно равен 1.6, частота среза f_C составляет порядка 100 Гц.