Амплитудный детектор

Амплитудный детектор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в измерительной технике и в приемных устройствах для демодуляции сигналов, модулированных по амплитуде.

Известно устройство по авторскому свидетельству СССР SU №1566459 A1 H03D 1/18, содержащее соединенные в кольцо первый резистор, первый конденсатор, катод первого диода, катод второго диода, второй конденсатор, второй резистор, причем точка соединения резисторов является входом устройства, последовательно соединенные третий и четвертый конденсаторы, причем первый подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора, а второй к точке соединения вторых резистора и конденсатора, последовательно соединенные усилитель переменного напряжения и пятый конденсатор, причем инвертирующий вход усилителя подключен к точке соединения третьего и четвертого конденсаторов, а пятый конденсатор к точке соединения первого и второго диодов, последовательно соединенные первый интегрирующий усилитель, интегрирующий вход которого подключен к точке соединения первых конденсатора и диода и третий резистор, который подключен к точке соединения вторых резистора и конденсатора, последовательно соединенные второй интегрирующий усилитель, инвертирующий вход которого подключен к точке соединения вторых конденсатора и диода и четвертый резистор, который подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора.

Поскольку соединение первого резистора, третьего конденсатора, а также второго резистора и четвертого конденсатора с входной емкостью усилителя переменного напряжения образуют фильтр низких частот, полоса данного устройства по высоким частотам ограничена. Поэтому, недостатком устройства является ограниченный диапазон рабочих частот.

Известен также амплитудный детектор, описанный в книге Волгина Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения. М., Сов. Радио, 1977, с.197, рис.4.32, содержащий последовательно соединенные фильтр высоких частот, состоящий из конденсатора и резистора, коммутатор, преобразователь амплитудных значений (ПАЗ), разделительный конденсатор, фильтр, усилитель переменного напряжения (УПН), синхродетектор, управляемый делитель напряжения (УДН), выход которого является выходом устройства и делитель напряжения на резисторах, выход которого подключен к второму входу коммутатора, а также генератор управляющего напряжения, выходы которого подключены к управляющему входу коммутатора и второму входу синхродетектора, и источник опорного напряжения, подключенный ко второму входу УДН.

Если амплитуду огибающей выходного сигнала ПАЗ записать как U_m-βE (см. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения. М., Сов. Радио, 1977, с.197), где

U_m - амплитуда входного сигнала,

β - коэффициент передачи делителя напряжения на резисторах,

Е - выходное постоянное напряжение на выходе амплитудного детектора, то функцию преобразования данного амплитудного детектора можно записать следующим образом (см. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения. М., Сов. Радио, 1977, с.198, формула 4.41).

где k=k₁·k₂·k₃·k₄·k₅ - произведение коэффициентов передачи пассивного ПАЗ, фильтра, УПН, синхродетектора и УДН;

- функция, взаимообратная функции преобразования пассивного ПАЗ.

Как видно из приведенной формулы, напряжение на выходе данного амплитудного детектора в значительной степени зависит от коэффициента передачи пассивного ПАЗ, рабочая точка которого не стабилизирована.

Поэтому, при низкой температуре и малом (50-100 мВ) уровне входного сигнала коэффициент передачи ПАЗ близок к нулю. При этом в соответствии с вышеприведенной формулой произойдет сбой в работе амплитудного детектора.

Наиболее близким аналогом является устройство, описанное в книге Волгина Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения. М., Сов. Радио, 1977, с.197, рис.4.32, содержащее коммутатор, преобразователь амплитудных значений, делитель напряжения, генератор управляющего напряжения и источник опорного напряжения.

Для улучшения точности преобразования амплитуды входного переменного сигнала в постоянное напряжение при сохранении диапазона частот пассивного ПАЗ, предложен амплитудный детектор, содержащий ключ, преобразователь амплитудных значений, генератор импульсов, источник опорного напряжения, делитель напряжения, отличающийся тем, что в него введены сумматор, подключенный между ключом и преобразователем амплитудных значений, последовательно соединенные первое устройство выборки и хранения, первый усилитель постоянного тока, первый фильтр низких частот, причем выход первого устройства выборки и хранения соединен с инверсным входом первого усилителя постоянного тока, а выход первого фильтра низких частот подключен к второму входу сумматора, последовательно соединенные второе устройство выборки и хранения, второй фильтр низких частот, второй усилитель постоянного тока, выход которого является выходом устройства, а также второй ключ, при этом инверсный выход второго усилителя постоянного тока через делитель напряжения и второй ключ подключен к третьему входу сумматора, прямой выход генератора импульсов подключен к входам управления первого и второго ключей и второго устройства выборки и хранения, а инверсный выход генератора импульсов подключен к входу управления первого устройства выборки и хранения, выход источника опорного напряжения подключен к прямому входу первого усилителя постоянного тока и к инверсному входу второго усилителя постоянного тока.

На чертеже приведена схема устройства и изображены:

1 - первый ключ,

2 - сумматор,

3 - преобразователь амплитудных значений,

4 - первое устройство выборки и хранения,

5 - первый усилитель постоянного тока,

6 - первый фильтр низких частот,

7 - второе устройство выборки и хранения,

8 - второй фильтр низких частот,

9 - второй усилитель постоянного тока,

10 - делитель напряжения,

11 - генератор импульсов,

12 - источник опорного напряжения,

13 - второй ключ.

Амплитудный детектор содержит: первый ключ 1, сумматор 2, преобразователь амплитудных значений 3, первое устройство выборки и хранения (УВХ) 4, первый усилитель постоянного тока (УПТ) 5, первый фильтр низких частот (ФНЧ) 6, второе устройство выборки и хранения 7, второй фильтр низких частот 8, второй усилитель постоянного тока 9, делитель напряжения 10, генератор импульсов 11, источник опорного напряжения (ИОН) 12, второй ключ 13.

Амплитудный детектор работает следующим образом. С прямого выхода генератора импульсов 11 сигнал поступает на входы управления первого ключа 1, второго ключа 13 и второго УВХ 7, с инверсного выхода на управляющий вход первого УВХ 4.

В момент отсутствия импульса на входах первого ключа 1 и второго ключа 13, сигналы через них не проходят, т.е. входной переменный сигнал и сигнал с выхода делителя напряжения 10 не поступают на второй и третий входы сумматора 2. При этом на выходе ПАЗ 3 присутствует постоянное напряжение, накопленное на внутренней емкости, а на входе присутствует очищенный от помех коммутации сигнал с выхода первого ФНЧ 6. Первое УВХ 4 в этот момент времени открыто для выборки по входу управления, а второе УВХ 7 хранит предыдущее состояние ПАЗ 3. Напряжение с выхода УВХ 7 вычитается из напряжения ИОН 12 и через второй УНТ 9, делитель напряжения 10 поступает на вход второго ключа 13.

В момент действия импульса с генератора импульсов 11 открываются первый 1 и второй 13 ключи и сигналы с их выходов поступают на входы сумматора 2, а затем через ПАЗ 3 на вход первого УВХ 4, которое находится в состоянии хранения предыдущего значения входного сигнала. Второе УВХ 7 в этот момент находится в режиме выборки сигнала с выхода ПАЗ 3.

Таким образом, имеем два кольца автоподстройки амплитуды сигнала действующих поочередно во времени. Первое состоит из сумматора 2, ПАЗ 3, первого УВХ 4, первого УПТ 5 и первого ФНЧ 6. Второе из сумматора 2, ПАЗ 3, второго УВХ 7, второго ФНЧ 8, второго УПТ 9, делителя напряжения 10, второго ключа 13.

Характеристическое уравнение для кольца автоподстройки, содержащего сумматор 2, ПАЗ 3, первое УВХ 4, первый УПТ 5, первый ФНЧ 6 выглядит следующим образом.

U_ФНЧ1=(U_ИОН-U_ФНЧ1·К_СУМ·К_ПАЗ·K_УВХ1)·К_УПТ1К_ФНЧ1,

где U_ИОН - напряжение на выходе ИОН 12,

U_ПАЗ - напряжение на выходе ПАЗ 3,

К_УВХ1 - коэффициент передачи первого УВХ 4,

К_ФНЧ1 - коэффициент передачи первого ФНЧ 6,

U_ФНЧ1 - напряжение на выходе первого ФНЧ 6,

К_СУМ - коэффициент передачи сумматора 2,

К_УПТ1 - коэффициент передачи первого УНТ 5.

После преобразований получим.

U_ФНЧ1=(U_ИОН·K_УПТ1·К_ФНЧ1)/(1+К_СУМ·К_ПАЗ·К_УВХ1·К_УПТ1·К_ФНЧ1)).

При К_ФНЧ1≈1, К_СУМ≈1, К_УПТ1≈50000, К_УВХ1≈1, К_ПАЗ≈0,01-0,05 получим

U_ФНЧ1≈U_ИОН/К_ПАЗ.

Т.е. в моменты времени, когда первый ключ 1 и второй ключ 13 закрыты, на выходе первого ФНЧ 6 присутствует напряжение, равное U_ИОН/К_ПАЗ.

Рассмотрим работу второго кольца автоподстройки, состоящего из сумматора 2, ПАЗ 3, второго УВХ 7, второго ФНЧ 8, второго УПТ 9, делителя напряжения 10, второго ключа 13. Характеристическое уравнение для этого кольца будет выглядеть следующим образом.

U_ВЫХ=((U_ФНЧ1+U_ВХ·К_К1-U_ВЫХ·К_ДН·К_К2)·К_СУМ·К_ПАЗ·К_УВХ2·К_ФНЧ2-U_ИОН)·К_УПТ2,

где U_ВХ - входное переменное напряжение,

U_ФНЧ1 - напряжение на выходе первого ФНЧ 6,

U_ВЫХ - напряжение на выходе амплитудного детектора,

К_ДН - коэффициент передачи делителя напряжения 10,

К_УПТ1 - коэффициент передачи второго УПТ 9,

К_К1 - коэффициент передачи ключа 1,

K_К2 - коэффициент передачи ключа 13.

Учитывая, что U_ФНЧ1≈U_ИОН/К_ПАЗ, а также К_К1≈К_К2≈1, К_СУМ≈1, К_УВХ2≈1, К_ФНЧ2≈1, а также, что К_УПТ2≈50000, К_ПАЗ≈0,025-0,5 после преобразований получим.

U_ВЫХ=U_ВХ·К_ПАЗ·К_УПТ2/(1+К_ДН·К_ПАЗ·К_УПТ2)≈U_ВХ/К_ДН.

Т.е. напряжение на выходе описанного амплитудного детектора не зависит ни от нестабильного коэффициента передачи ПАЗ 3, ни от изменения напряжения ИОН 12.

Следует отметить, что стабильность коэффициентов передачи всех устройств, входящих в амплитудный детектор, в несколько раз выше по сравнению со стабильностью пассивного ПАЗ. Поэтому, неравенство единице коэффициентов К_К1, К_К2, К_СУМ, К_УВХ2, К_ФНЧ2 легко компенсировать при настройке амплитудного детектора, и в дальнейшем их влиянием на стабильность коэффициента передачи амплитудного детектора можно пренебречь.

Таким образом, кольцо автоподстройки, состоящее из сумматора 2, ПАЗ 3, первого УВХ 4, первого УПТ 5, первого ФНЧ 6 обеспечивает с высокой точностью стабильность рабочей точки амплитудного детектора, а кольцо автоподстройки, состоящее из сумматора 2, ПАЗ 3, второго УВХ 7, второго ФНЧ 8, второго УПТ 9, делителя напряжения 10 и второго ключа 13 обеспечивает стабильность коэффициента преобразования ПАЗ 3 для разных уровней переменного напряжения. Все это значительно повышает точность преобразования амплитудных значений переменных сигналов относительно аналогов.

Преобразователь амплитудных значений (ПАЗ) может быть реализован по одно или двухдиодной схемам или с использованием транзистора в диодном включении. Сумматор может быть выполнен на резисторах или на широкополосном трансформаторе. Устройство выборки и хранения в простейшем случае представляет из себя ключ, выход которого соединен с накопительным конденсатором, второй конец которого соединен с общим проводом. Остальные элементы устройства могут быть выполнены на стандартной элементной базе и не имеют каких-либо особенностей.

Амплитудный детектор, содержащий ключ, преобразователь амплитудных значений, генератор импульсов, источник опорного напряжения, делитель напряжения, отличающийся тем, что в него введены сумматор, подключенный между ключом и преобразователем амплитудных значений, последовательно соединенные первое устройство выборки и хранения, первый усилитель постоянного тока, первый фильтр низких частот, причем выход первого устройства выборки и хранения соединен с инверсным входом первого усилителя постоянного тока, а выход первого фильтра низких частот подключен к второму входу сумматора, последовательно соединенные второе устройство выборки и хранения, второй фильтр низких частот, второй усилитель постоянного тока, выход которого является выходом устройства, а также второй ключ, при этом инверсный выход второго усилителя постоянного тока через делитель напряжения и второй ключ подключен к третьему входу сумматора, прямой выход генератора импульсов подключен к входам управления первого и второго ключей и второго устройства выборки и хранения, а инверсный выход генератора импульсов подключен к входу управления первого устройства выборки и хранения, выход источника опорного напряжения подключен к прямому входу первого усилителя постоянного тока и к инверсному входу второго усилителя постоянного тока.