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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Rivelatore sincrono a chiave. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore Il principio di funzionamento del rivelatore sincrono a chiave è illustrato in Fig. uno.
Il dispositivo ha un ingresso differenziale. Due segnali rilevati uguali vengono inviati in controfase a un interruttore elettronico ad alta velocità. Per semplicità, in Fig. 1 interruttore è indicato come meccanico. Assumeremo che sia ideale, cioè la commutazione avviene istantaneamente e la sua resistenza nello stato chiuso è zero. Il funzionamento dell'interruttore è controllato da un segnale, comunemente indicato come riferimento. Lasciare che il segnale di riferimento controlli il funzionamento dell'interruttore in modo che il suo contatto mobile sia sempre collegato all'ingresso che attualmente ha una tensione positiva. Questo è possibile se il segnale di riferimento è sincronizzato con quello rilevato, motivo per cui questo rilevatore è chiamato sincrono. Per chiarezza è utile introdurre il concetto di angolo di sfasamento j tra il segnale rilevato e quello di riferimento, in questo caso j = 0. All'uscita dell'interruttore si ottiene un segnale che coincide nella forma con un segnale pieno segnale rettificato ad onda. Inoltre, questo segnale passa attraverso un circuito RC integratore, che attenua l'ondulazione della tensione raddrizzata. All'uscita della catena, la tensione sarà pari a 2 / PI * Uc. La rettifica è avvenuta senza la partecipazione di elementi non lineari. Qui troviamo la prima notevole proprietà di un rivelatore sincrono: la capacità di rilevare linearmente a qualsiasi ampiezza del segnale rilevato. Questo lo rende estremamente interessante per numerose applicazioni. Sfortunatamente, non è sempre possibile implementare un segnale di riferimento sincrono. Se la fase del segnale di riferimento viene modificata di 180°, allora la tensione di uscita cambierà polarità, poiché l'interruttore farà passare solo le semionde negative della tensione di ingresso. Se lo sfasamento è di 90°, l'interruttore passerà sia semionde positive che negative, come si può vedere in Fig. 1. All'uscita della catena di integrazione, il segnale sarà zero. L'analisi del circuito del dispositivo con uno sfasamento arbitrario porta alla conclusione che il segnale all'uscita del circuito integratore in questo caso è pari a 2/PI*Uccos(f). La seconda notevole proprietà di un rivelatore sincrono sono le sue proprietà di fase. Può funzionare come rilevatore di fase. Consideriamo una delle applicazioni di un tale rivelatore di fase. Se, oltre a questo rivelatore sincrono, che emette il segnale 2/PI*Uccos(f), usiamo un altro dello stesso rivelatore, la cui fase del segnale di riferimento è ulteriormente spostata di 90°, allora il segnale a l'uscita di questo rivelatore aggiuntivo sarà pari a 2/PI*Ucsin (f). Di conseguenza, diventa possibile separare le componenti attive e reattive del segnale. Successivamente, considera il funzionamento di un rilevatore sincrono in modalità asincrona. Sia Fc la frequenza del segnale rilevato, F0 la frequenza del segnale di riferimento, quindi lo sfasamento tra questi segnali sarà pari a j = (Fc - F0)t. Di conseguenza, l'uscita del rilevatore sincrono non è una tensione costante, ma una tensione alternata della frequenza differenziale. Tuttavia, questa tensione è ottenuta all'uscita del circuito RC integratore, che riduce l'ampiezza dell'ampiezza della tensione con l'aumentare della differenza di frequenza. Il valore totale della tensione all'uscita del rivelatore sincrono è determinato dall'espressione
La dipendenza dalla frequenza dell'ampiezza di questo segnale è la stessa di un circuito oscillatorio convenzionale con un fattore di qualità Q = F0RC, una larghezza di banda df = 1/(PI*RC) e una frequenza di risonanza F0. Tuttavia, c'è una differenza qualitativa significativa. Quando abbiamo a che fare con un circuito oscillatorio, la frequenza alla sua uscita è sempre uguale alla frequenza del segnale applicato. Per un rivelatore sincrono, la frequenza del segnale di uscita è pari alla differenza tra le frequenze del segnale di riferimento e quella rilevata. Il circuito oscillatorio ha una singola frequenza di risonanza, mentre il rivelatore sincrono presenta massimi di risonanza a tutte le armoniche dispari della frequenza del segnale di riferimento. Sulla fig. La figura 2 mostra la risposta in frequenza di un rivelatore sincrono con un fattore di qualità di 100. Le risonanze sono osservate a frequenza zero, la frequenza coincidente con la frequenza del segnale di riferimento, tripla la frequenza e tutte le ulteriori armoniche dispari del segnale di riferimento. è necessario mettere un sistema selettivo in frequenza convenzionale davanti al rivelatore sincrono, che sopprime le larghezze di banda indesiderate. La terza proprietà notevole di un rivelatore sincrono sono le sue caratteristiche selettive in frequenza.
Se il rilevatore sincrono opera in modalità sincrona e rileva un segnale modulato, le sue proprietà selettive in frequenza vengono esibite per il segnale rilevato. La larghezza di banda del rilevatore sincrono per il segnale rilevato è dimezzata: df = 1/(2*PI*RC) Il fattore di qualità e la larghezza di banda di un rilevatore sincrono sono estremamente facili da modificare scegliendo i parametri della catena RC. È possibile ottenere sia un fattore di qualità molto basso e un'ampia larghezza di banda, sia un fattore di qualità estremamente elevato e una larghezza di banda ridotta. Ad esempio, a una frequenza di 1 MHz con una resistenza di 1 MΩ e una capacità di 1 μF, otteniamo un fattore di qualità di 6,28 * 106 e una larghezza di banda di 0,3 Hz. Un tale fattore di qualità non può essere ottenuto nemmeno con un buon risonatore al quarzo. Nel frattempo, è possibile ottenere una larghezza di banda anche di 0,001 Hz. Tuttavia, una larghezza di banda così esotica può essere richiesta solo quando si misurano segnali estremamente deboli.
Le proprietà selettive in frequenza di un rilevatore sincrono possono essere notevolmente migliorate utilizzando un filtro passa-basso di ordine superiore invece di un circuito RC integrato. Quindi, con un filtro di secondo ordine, è possibile ottenere la stessa risposta in frequenza di quando si utilizza un filtro con due circuiti accoppiati per la selezione della frequenza. Un filtro del quarto ordine darà lo stesso effetto di un filtro di selezione concentrata con quattro loop. Sulla fig. 3 mostra un esempio di un circuito di filtro attivo del secondo ordine che può essere utilizzato al posto di una rete di integrazione RC. La larghezza di banda di un tale filtro è df=1/(2*PI/RC) Il rilevatore sincrono viene spesso utilizzato in modalità sincrona. Per fare ciò, è necessario disporre di un segnale di riferimento sincrono. Se il rilevatore fa parte di un complesso di misurazione chiuso, di solito non ci sono problemi con la creazione di un segnale di riferimento sincrono. Le difficoltà sorgono quando si rilevano segnali che provengono dall'esterno, ad esempio segnali radio. In televisione, la frequenza portante selezionata del segnale dell'immagine viene utilizzata come riferimento. Per la ricezione broadcast, il segnale di riferimento può essere organizzato utilizzando un PLL. Per risolvere questo problema, vengono prodotti circuiti integrati specializzati. In modalità asincrona, l'uscita è un segnale di frequenza differenziale. Se ciò non è desiderabile, puoi procedere come segue. È necessario utilizzare due rivelatori sincroni, i cui segnali di riferimento sono sfalsati di 90°. I segnali ottenuti alle uscite di questi rivelatori devono essere elevati al quadrato e sommati. Quindi prendi la radice quadrata della somma risultante. Il risultato è un segnale che non contiene una differenza di frequenza:
È facile implementare il classico circuito rivelatore sincrono utilizzando due interruttori analogici (Fig. 4).
Tale rilevatore può funzionare a frequenze fino a 1 MHz. Insieme ai modellatori dei segnali di ingresso e di riferimento, il dispositivo risulta essere alquanto ingombrante. Pertanto, a volte puoi dare la preferenza a un'opzione più semplice secondo lo schema in Fig. 5.
Tale rilevatore funziona come segue. Supponiamo che l'interruttore sia aperto per gli ingressi negativi e chiuso per quelli positivi. Quando l'interruttore è aperto, abbiamo un amplificatore invertente con un guadagno di -1 e la tensione di ingresso negativa all'uscita dell'amplificatore operazionale diventa positiva. Se la chiave è chiusa, il dispositivo acquisisce la proprietà di un ripetitore. Di conseguenza, si ottiene un segnale rettificato a onda intera all'uscita dell'amplificatore operazionale. In altre fasi dell'operazione chiave, otteniamo tutti gli stessi segnali di uscita del rivelatore sincrono chiave classico. Questa opzione ha una velocità molto inferiore rispetto alla precedente, può essere utilizzata a una frequenza fino a 10 kHz. Il rilevatore sincrono chiave più veloce può essere ottenuto sulla base di un moltiplicatore di segnale. Il suo principio di funzionamento è semplice. Se il segnale rilevato e quello di riferimento hanno lo stesso segno, dopo la moltiplicazione otteniamo un segnale positivo che mantiene la forma del segnale rilevato. L'industria produce molte varietà di moltiplicatori di segnale. Solo alcuni di essi hanno la capacità di moltiplicare i segnali analogici (ad esempio K525PS2) e sulla loro base è possibile creare un circuito di un rivelatore sincrono a chiave con le proprietà di uno classico. La maggior parte dei moltiplicatori di segnale viene utilizzata per lo scopo previsto come convertitori di frequenza in apparecchiature di ricezione radio (spesso indicato come "miscelatore a doppio bilanciamento"). Possono anche essere usati come rilevatori sincroni, tuttavia, il segnale di uscita è differenziale, con l'aggiunta di qualche componente costante, che in seguito potrebbe essere necessario rimuovere. Uno schema di una possibile variante di rivelatore sincrono è mostrato in Fig. . 6.
Il rilevatore funziona fino a una frequenza di 1 MHz. A frequenze più elevate, sorgono difficoltà con la formazione di un segnale di riferimento rettangolare, che dovrebbe avere un'ampiezza di circa 1 V. Il resistore trimmer, in assenza di un segnale rilevato, imposta una tensione zero in uscita. Lo svantaggio del dispositivo è la dipendenza della tensione di uscita dall'ampiezza del riferimento. Questo rivelatore lavora come sincrono e con un segnale di riferimento sinusoidale fino a frequenze di diverse centinaia di megahertz, ma non sarà più un rivelatore sincrono a chiave, bensì un rivelatore sincrono su moltiplicatore. In effetti, quando si moltiplicano i segnali Otteniamo Uccos(Ft + f) e Uccos(Ft). 1/2*U0Uc[cos(f)+cos(2Ft+f)] Il secondo segnale di frequenza raddoppiato viene soppresso dal circuito integratore all'uscita del rilevatore, uscendo 1/2U0Uccos(f). Qualitativamente lo stesso risultato del rivelatore sincrono chiave, ma ora c'è una dipendenza dal valore del segnale di riferimento, che non è molto buono per i circuiti di misura. Letteratura:
Autore: Henry Petin
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