Синхронный детектор

Опубликовано 05.03.80. Бюллетень 9 Дата опубликования описания 15.03.80 пс дедам изобретений и открытий(54) СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в устройствах автоматики и телемеханики для синхронного амплитудно-фазового демодулирования.Известен синхронный детектор, содержащий операционный усилитель с резистивной 5 отрицательной обратной связью и резистором, включенным между его неинвертирующим входом и общей шиной, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены с источником входного сигнала каждый через два последовательно включенных резистора, при этом между местами соединения резисторов и общей шиной включены противофазно управляемые ключи 1.Однако в известном синхронном детекторе ограниченность линейной амплитудной 15 характеристики приводит к уменьшению динамического диапазона детектора по отношению к полезному сигналу.Цель изобретения - расширение динамического диапазона детектора.Для этого в синхронном детекторе, содержащем операционный усилитель с резистивной отрицательной обратной связью и резистором, включенным между его неинвертирующим входом и общей шиной, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены с источником входного сигнала каждый через два последовательно включенных резистора, при этом между местами соединения резисторов и общей шиной включены противофазно управляемые ключи, между местами соединения последовательно включенных резисторов включена цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного резистора.На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема предложенного детектора; на фиг. Й - эквивалентные схемы входной цепи детектора; на фиг. о - вольтамперные характеристики управляемого ключа и резистора; на фиг. 4 - передаточные характеристики3 кощ = 1вх),где И ви, - напряжение на конденсаторе,1.1 вх - входной сигнал.Синхронный детектор содержит резисторы 1, 2, управляемые ключи на транзисторах 3, 4, конденсатор 5, дополнительный резистор 6, резисторы 7, 8, 9, отрицательную обратную связь.на резисторе 10, операционный усилитель 11.Устройство работает следующим образом.При синхронном с опорным напряжением входном сигнале в полупериод, когда транзистор 3 закрыт, а транзистор 4 открыт, 5 происходит заряд конденсатора 5 током, текущим по цепи 11 - резистор 1 - конденсатор 5 - резистор 6 - транзистор 4; при сме-не фазы опорного напряжения (транзистор 3 открыт, транзистор 4 закрыт) ток заряда идет по цепи транзистор 3 - конденсатор 51 О резистор 6 - резистор 2 - 11. При этом форма кривых зарядного тока конденсатора 5 в оба полупериода опорного напряжения идентична. По истечению времени переходного процесса, определяемого величи- и нами резисторов 1, 2, 6, 7, 8 и конденсатором 5, конденсатор 5 заряжается до постоянного напряжения, величина которого пропорциональна среднему значению входного сигнала и косинусу угла разности фаз между входным и опорным напряжениями.При смене фазы входного сигнала на 180 меняется знак напряжения на обкладках конденсатора 5.При замыкании транзисторов 3 или 4 конденсатор 5 попеременно разными обклад ф ками через резисторы 6, 8 и 6, 7 соответственно, подключается к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя 11. При этом выходной сигнал демодулятора 111 ььрд получается однополярным.ЗОКоэффициент передачи по инвертирующему входуЯоКи=а по неинвертирующемуЙ 9 (ЮО+ Й 7) 35Кн = ----(йЕ+ М+ й 9) й 7где Кб, К 7, К 8, К 9, К 10 - сопротивлениярезисторов 6, 7, 8, 9, 10.Эти соотношения служат основой дляопределения номиналов резисторов 6, 7, 8,9, 10 исходя из условия Ки = К. фоПри выполнении условия .ф = ф (ипри пренебрежении величиной Кб) а 1ЯГ Ю+ЮО ук "КН 45Й 9 Й 10Из эквивалентных схем фиг. 2 а, 2 б следует, что резисторы 1, 2, 6, 7, 8, 9, при обычном выборе номиналов К 1 = К 2 = К 7= = К 8 + К 9, и конденсатор 5 образуют по юю отношению к точкам соединений резисторов 1, 7 и 2, 8 КС-фильтр с передаточной характеристикой1 +ТРф+т35 где Р - оператор Лапласа;Т( = СКб; Тр -- (ф + Кб) С. Полагая Кбс ф, то есть Т 1 сТ,получим, что величина переменной составляющей на конденсаторе 5 на частотах больших частоты среза фильтра меньше величины переменной составляющей входного сигнала.Таким образом, во входной цепи детектора осуществляется фильтрация высокочастотных составляющих несущей и шумов с коэффициентом ослабления, определяемым частотой переменной составляющей и постоянными времени фильтра Т 1 и Т з, величины которых выбирают исходя из требований на полосу частот полезного сигнала.При условиях отсутствия шума и нулевом сдвиге фазы входного синусоидального сигнала относительно опорного напряжения, величина сигнала на конденсаторе 5 уменьшается в 1,57 раза относительно амплитуды 11 вх за счет подавления несущей частоты, что соответствует расширению динамического диапазона демодулятора приблизительно на 4 дБ.Эффект расширения динамического диапазона усиливается при демодулировании сигналов с шумом и фазовым сдвигом.Нормальное функционирование КС- фильтра предполагает наличие в любой момент времени замыкания хотя бы одного ключа, так как фильтрации не будет, если оба транзисторных ключа находятся одновременно в разомкнутом состоянии, Таким образом, опорное напряжение должно быть сформировано так, чтобы не было возможности одновременного запирания ключей,Это требование реально приводит к кратковременному нахождению обоих ключей в открытом состоянииВследствие этого конденсатор 5 оказывается включенным на время Ы на цепь, состоящую из последовательно соединенных открытых транзисторов 3, 4 и резистора 6, где М - время одновременного нахождения транзисторов 3 и 4 в открытом состоянии. Напряжение на кОнденсаторе 5 уменьшается за счет разряда на величинуЛ 1 Ъ ---1 мСгде 1 - ток разряда конденсатора 5;С - величина емкости конденсаторка 5;Величина Л 11 в каждой точке характеристики 11 ющ = 1(11 щ ) определяется током разряда 1, который зависит от вида вольтамперной характеристики цепи разНа фиг. 3 привкеденыивольтамйер ые характеристики двух -последовательно соединенных открытых транзисторов (3,4) - 12, резистора (6) - 13 и вольтамперная характеристика цепи из последовательно соединенных открытых транзисторов (3,4) и ре. зистора Сб) - 14.Используя эти характеристики можно построить передатопные характеристдки иске.5тектора. Для этого по характеристикам фиг. 3 определяют величину тока разряда емкости 1, а через него по формуле, приведенной выше, величину МЗ.На фиг. 4 приведены идеализированная передаточная характеристика 15 (Ь 1 = О), п ередаточная характеристика 16, соответствующая цепи, где величина резистора 6 равна нулю, и передаточная характеристика 17, соответствующая наличию резистора 6.: - :.Из кривых видно, что отсутствие резистора 6 приводит к существенной нелинейности характеристики 3 конд= 1(ив) (а значит, и передаточной характеристики детектора) в области малых входных сигналов.Введение КС цепи выгодно отличает предложенный синхронный детектор от известного, так как упрощает устройства для обр аботки амплитудно-фазо модулированных сигналов с высоким уровнем шумов. 6Формула и=-обретенияСинхронный детектор, содержащий операционный усилитель с резистивной отрицательной обратной связью и резистором,включенным между его неинвертирующимвходом и общей шиной, инвертирующий инеинвертирующий входы которого соединены с источником входного сигнала каждый через два последовательно включенныхрезистора, при этом между местами соединения резисторов и общей шиной включены10 противофазно управляемые ключи, отличаюиийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона детектора, междуместами соединения последовательно включенных резисторов включена цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного резистора,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Ж. Марше. Операционные усилителии их применение Л., Энергия, 1974, с. 88,го рис. 5 - 60 (прототип),