Устройство для синхронной демодуляции амплитудно модулированных сигналов

.Д.Зибров8)С. Интегральнаяроизмерительныхнергия", 1980,етельство СССР 3/18, 1980 (про" ЙСТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬ(54)(57) 1. УСТРО ВО ДЛЯ СИНХРОННОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ, содержащее генератор опорного сигнала, операционныйусилитель, к выходу которого, являющемуся выходом устройства для синхронной демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, подключены последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, а также первый и второй ключи, управляющие входы которых подключены к генераторуопорного сигнала, замыкающий контактпервого ключа соединен с общей шиной,а переключакнций контакт - с первымвыводом четвертого резистора, а также пятый и шестой резисторы, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения стабильности, переключаю-.щий контакт первого и замыкающий контакт второго ключей объединены, кроме того, в него введены третий, четвертый и пятый ключи, делитель частоты, элемент ИЛИ, элементы И и ИЛИ-НЕ,объединенные первые входы которыхподключены к выходу генератора опорного сигнала непосредственно, а объе" диненные вторые входы - через делитель частоты, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом элемента И и с управляющим входом третьего ключа, замыкающий контакт которого является входом устройства для синхронной демодуляции амплитудно-модулированных сигналов и подключен к другому выводу третьего резистора и к переключающему контакту второго ключа, а переключающий контакт - к точке соединения второго и третьего резисторов, второй вход элемента ИЛИ подключен к выходу элементаИЛИ-НЕ и к управляющему входу четвертого ключа, замыкающий контакт которого соединен 3 с общей шиной, а переключающий контакт - с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов, выход элемента ИЛИ подключен к управляющему входу пятого ключа, замыкающий контакт которого соединен с вторым выводом четвертого резистора, первый вывод которого подключен к переключающему контакту пятого ключа через шестой резистор, последовательно соединенные первый синхронный .детектор, информационный вход которого подключен к выходу операционного усилителя, усилитель переменного напряжения и преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены к точке соединения первого и второго резисто" ров, к инвертирующеиу входу операционного усилителя, к переключающемуконтакту пятого ключа и к неинвертирующему входу операционного усили11591теля соответственно, а опорный вход - к выходу делителя частоты, при этом опорный вход первого синхронного детектора соединен с выходом генератора опорного сигнала,2. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит последовательно соединенные второй синхронный детектор, информационный и .опорный входы которого являются информационным и 5 Оопорным входами преобразователя переменного напряжения в постоянное соответственно, и фильтр нижних частот,между выходом которого и общей шинойвключены встречно светодиоды первойи второй диодных оптопар, параллельно фотодиодам которых,подсоединеныседьмой и восьмой резисторы соответственно и выводы которых являютсяпервым, вторым, третьим и четвертымевыходами преобразователя переменногонапряжения в постоянное, Изобретение относися к автоматике и аналоговой вычислительной техни- ке и может быть использовано для двухполупериодного фазочувствительного:детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов в измерительной технике.Известен синхронный демодулятор, содержащий операционный усилитель (ОУ), между выходом которого, являю О щимся выходом синхронногодемодулятора, и общей шиной включены. первый резистор, второй резистор и ключ, третий и четвертый резисторы, первые выводы которых объединены и являются 15 .входом синхронного демодулятора, а вторые выводы подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ соответственно, при этом между неинвертирующим входом ОУ и общей шиной включен пятый резистор 11 .Известный синхронный демодулятор, а также аналогичные ему устройства для. синхронной демодуляции на базе ОУ обеспечивают высокую точность, широкий частотный диапазон, имеют относительно малые габариты, легко микроминиатюризируются, однако на точность влияют напряжение смещения нуля и его дрейф. Наибольший частот- Зф ный диапазон имеют ОУ с непосредственными связями, а также усилители с каналом ИДИ (модуляция - демоду" ляция), построенные по способу обратного преобразования. Последние 35 обеспечивают автоматическую компенсацию напряжения смешения, но только при неизменном коэффициенте усиле 2ния ОУ, что выполнимо при большом коэффициенте усиления. Операционные усилители с непосредственной МДМ имеют ограниченный частотный диапазон, так как трудно обеспечить значительную компенсацию напряжения смещения и одновременно обеспечить ус" тойчивость усилителя. Поэтому такие ОУ используют чаще всего при пониженном частотном диапазоне (единицы - десятки килогерц).4Наиболее близким,по технической сущности к предлагаемому является устройство для синхронной демодуляции АИ сигналов, содержащее генера-. тор опорного сигнала, первый ОУ, к выходу которого, являющемуся выходом устройства для синхронной демодуляции АМ сигналов, подключены последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, второй ОУ, выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора, третий ОУ выход которогоподключен к инвертирующему входу первого ОУ и точке соединения первого с вторым резисторов через последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы, первый и второй ключи, включенные между точками соединения второго и третьего резисторов, четвертого и пятого резисторов и общей шиной соответственно, а управляющие входы соеДинены с выходом генератора опорного сигнала,при. этом между инвертирующими входами второго и третьего ОУ и выходом первого ОУ включены шестой и седьмой резисторы соответственно, между неинз ,1159 150 4вертирующнм входом первого ОУ и общейвым выводом пятого резистора, второй шиной включен восьмой резистор, а вывод которого подключен к точке соемежду неинвертирующими входами второ- динения первого н второго резисторов, го и третьего ОУ и первым и вторым выход элемента ИЛИ подключен к управвходами устройства для синхроннойляющему входу пятого ключа, замыкаю- демодуляции АМ сигналов - девятый и щий контакт которого соединен с втодесятый резисторы соответственно 2. Рым выводом четвертого резистора,Известное устройство характеризу- первый вывод которого подключен к ется недостаточно высокой стабиль- переключающему контакту пятого ключа ностью выходных параметров при воз О через шестой резистор, последовательдействии дестабилизирующих факторов, в частности температурыЦель изобретения - повьппение стабильности выходных параметров устройства для синхронной демодуляции АМ ц но соединенные первый синхронньпЪ детектор, информационный вход которого подключен к выходу ОУ, усилитель переменного напряжения и преобразователь переменного напряжения в постосигналов.янное, первый, второй, третий и четчПоставленная цель достигается т, вертыи выходы которого подключены кл достигается тем, , точке соединения первого и вто огодулЯции АМ сиГналов содержащем гене- э Ртнрующму Входуратор.ОПорного сигнала, опер ионн " 20 У к переключающему контакту пятоусипителЬ, к выходу кОторого, являю- "о ключа и к неинвертирующему входущемуся Выходом устроиства дОУ соответственно а опо ный вхок выходу делителя частоты, при этомОпорныи вход первого синхронногьно соединенные тектора соединен с выходом генератора опорного сигнала.Ю, второи и третий резисторы,первый и второй ключи, управляющиевходы которыхды которых подключены к генератоПреобраэователь переменного нарного си 1 нала амыкющй контакт первпервого ключа соединен с общейф ии " н . довательно соединенные второй синрю детектор, информационныи и1 й ВхОды которого яВляются инртого резистора,а также пятый и ш се тон резисторы,формационным и опорным входами преобразователя переменного напряжениямыкающий контакт второго ключей объединены, в него введены третий, чет- З фильтр нижних частот, между выходом .вертый и пятый ключи, делит, ь которого и общей шиной включенытоты, элемент,ИЛИ, элементь, И и ИЛИ встречно светодиоды первой и второйНЕ, объединенные первые входы диоднь 1 х оптопар, параллельно фотодиоРых подключены к выходу генератор дам которйх подсоединены седьмой иопоРного сигнала непосредственно, а а вмой Резисторы соответственнообъединенные вторые входы - черези выводы которых являются первым,елитель астты первый вход элеми преобразователя переменного ната И и с управляющим входом третьего Иа фиг 1 ивепряжения в постоянное.элемента И и с управляющим входо М а фиг. 1 приведена структурнаятРетьего ключа, замыкаю "а . летрическая схема предлагаемогокоторого является входом устройстваустройствами на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства;на фиг.З - эквивалентные схемы сос-третьего резистора и к переключающе" дфоп"щ ных времен его работы.чающии контакт - к точке соединения .Устройство для синхронной девторого и третьего резисторов, второймодуляции АМ сигналов содержит гене- .вход элемента ИЛИ подключен к выходу ратор 1 опорного сигнала, ОУ 2элемента ИЛИ-НЕ и к п ауправляющему И первый, второй, третий, четвертыйФ .Фвходу четве того кду ртого ключа, замыкающий пятый и шестой резисторы 3-8, пе вый,Ф У Э Эконтакт которого соединен с общей ши- второй, третий, четвертый и пятыйной, а переключающий контакт - с пер" ключи 9-13 , релитель 14 частоты,эле1159 150 10 К 4Б КЗсм см оу К 4+К 511 ем Нсм оч мент ИЛИ 15, элемент И 16, элемент ИЛИ-НЕ 17, первый синхронныйдетектор 18, усилитель 19 переменного напряжения и преобразователь 20переменного напряжения в постоянное,который состоит из второго синхронного детектора 21, фильтра 22 нижнихчастот, первой и второй диодных оптопар 23 и 24, седьмого и восьмогорезисторов 25 и 26,Устройство для синхронной демодуляции АМ сигналов работает следующим образом,Генератор 1 опорного сигнала вырабатывает напряжение прямоугольной фор ы (фиг.2 А), которое .далее постУпает на делитель 14 чаототы, например, на два. Выходные сигналы с генератора 1 опорного сигнала (фиг.2 А)и делителя 14 частоты (фиг,2 Б) поступают на вход элемегтов И 16 иИЛИ-НЕ 17. На выходе элемента И 16 положительный перепад напряжения возникает при совпадении положительныхлогически уровней на его входах(фиг.2 В),на выходе элемента ИЛИ-НЕ 17 перепад напряжения положителен при совпадении уровней (логического нуля) на его входах (фиг.2 Г); на выходе элемента ИЛИ 15 перепад напряжения положителен при наличии положительных уровней хотя бы на одном изего входов (фиг.2 Д).Ключи 10, 11, 12 и 13 переходят в открытое состояние при поступлении наЭ 5 их управляющие входы положительногоуровня напряжения (фиг.2 А, В, Г, Д). Ключ 9 в данном случае переходит взакрытое состояние. На фиг,З эквивалентные схемы приведены для разныхсостояний ключей 9, 10, 11, 12 и 13,которые возникают в процессе работыустройства: на фиг.З А приведена эквивалентная схема включения, когдаключи 10, 11 и 13 замкнуты,а ключи 9 и 12 разомкнуты, на фиг,З Б - эквива-,лентная схема включения, когда ключ 10 замкнут, а ключи 9, 11, 12 и 13 разомкнуты, на фиг.З В - эквивалентная схема включения, когда ключ 9 замкнут, а ключи 10, 11, 12 и 13 разомкнуты, на фиг,З Г - эквивалентная схема включения, когда ключи 9, 12 и 13 замкнуты, а 1 ключи 10 и 11 разомкнуты. Из эквивалентных схем включенияфиг.З А, Б видно, что при открытом ключе 10 независимо от состояний ключей 13 и 11 коэффициент передачи по входному сигналу равен к =+1, таккак за счет действия отрицательнойобратной связи через резистор 3, придостаточно большом коэффициенте усиления ОУ 2, входной ток через второйи третий резисторы 4 и 5 не протекает,а его входное сопротивление становится достаточно большим,Напряжение смещения нуля на выходе ОУ 2 зависит от состояния ключа 11при от 1 срытом ключе 10 (фиг.З А, Б): где Б- напряжение смещения нуля"ф оуна выходе ОУ 2;КЗ,К 4 и К 5 - величины сопротивленийсоответственно первого, второго и. третьего резисторов 3, 4 и 5.При поступлении на управляющий вход ключей 9 и 10 отрицательного перепада напряжений (лог.О", фиг.3 В, Г) ключ 10 переходит в закрытое состояние, а ключ 9 - в открытое. Коэффициент передачи по входному сигналу независимо от состояний ключей 12 и 13 равен так как токи от действия входногосигнала через включенный четвертый,пятый и шестой резисторы 6, 7, и 8не протекают,Для выполнения условия равенства /К /=/К/=1 величины сопротивлений второго и третьего резисторов 4 и 5 целесообразно выбирать так, чтобы К 4+К 5=КЗ. В противном случае на выходе ОУ 2 присутствует переменная составляющая напряжения с частотой входного сигйала (фиг.2 Е).Напряжение смещения нуля на выходе ОУ 2 зависит от состояния ключа 12 (фиг.З В, Г); где К 7 " величина сопротивления пятого резистора 7Из сравнения выражений (1)(4)Б евидно, что 0 =11. Для соблюдения равенства И" =0; необходимо, чтобыВ данном случае в процессе работы К 8 К 6 КЗК 6 // шустройства напряжение .смещения нуля К 8+К 6 КЗ+2 К 6 ш+1 фна выходе ОУ 2 имеет вид, показанный5П 1откуда К 6= -- КЗ,на фиг.2 Ж, ввиду того что во време 1-вни за напряжением П следуют напря- Следовательно, выполнение условийжения Б П и Ц, (фиг.2 А, В, КЗ . всм 1 см см ф. К 6: - и К 8=КЗ позволяет поддержи-,Рассмотрим теперь влияние входных вать равенство сопротивлений утечектоков ОУ 2 на выходной сигнал в по обоим входам ОУ 2 для всех рабочихпроцессе работы устройства. состояний устройства, что исключает1Обозначим величины сопротивлений появление переменного напряжения на(сопротивления утечек) между инвер- его выходе.15тирующим и неинвертирующим входами Таким образом, на выходе ОУ присутОУ 2 и общей шиной соответственно ствуют напряжения, определяемые входчерез г 1 и г 2, а входные токи по ным сигналом (фиг.2 Е), напряжениемданным входам соответственно через смещения нуля (фиг.2 Ж) и постоянным11 и 12, Тогда напряжение смещения напряжением, пропорциональным раэносна выходе ОУ 2 (за счет влияния ти входных токов (6).входных токов) определяется из вы- На информационный вход первогоражения синхронного детектора 18 поступаетКЗтолько переменная составляющая выходЕ =12 г 2(1+ в )-11 КЗ, (5) ного напряжения ОУ 2 (фиг,2 Е,Ж),Так как сигнал на выходе первогоДля уменьшения влияния входных синхронного детектора 18 периодическитоков целесообразно номиналы резис- меняет полярность с частотой генераторов выбирать так, чтобы г 2=г 1//КЗ, тора 1 опорного сигнала (фиг,2 А),тот.е. чтобы выполнялось равенство переменная составляющая возникающ30сопротивлений утечки по обоим входам при неравенстве коэффициентов передаОУ В данном случае чи К+ и К (фиг.2 Е), на выходе первого синхронного детектора 18 преобБ =(12-11)КЗ . (6) разуется в постоянное напряжение(фиг.2 И), а переменная составляющая,Из.выражения (6) следует, что при Зз пропорциональная напряжению смещениясоблюдении равенства г 2 г 1//КЗ выход- нуля, сохраняет свою форму но сдви 0но сдвиное напряжение" смещения Пимеет ха- гается на 90 и по фазе отличаетсярактер постоянного напряжения. При от сигнала с выхода делителя 14 час(12-11)0 иэ .выражения (6) видно, .тоты на два на.й 180 (фиг.2 К). Фаза/440 леременного напряжения на выходе перф 4от знака напряжения смещения нуля=г 2 =К 8//К 6, г 2=г 2 К 8, где К 6 и К 8- величины сопротивлений четвертого и 45Переменный сигнал, пропорциональшестого резисторов 6 и 8., ныи напряжению смещения нуля, усилиС учетом того, что .ивается усилителем 19 переменного наК 4+К 5=КЗ нодим что г 1 =К 4 Такимсинхронного детектора 21 преобразоо разом, вателя 20 переменного напряжения вПоскольку г 2 следует выбирать с постоЯнное. Так как втоРой синхРон 50Учетом. равенства г 2-"г 1//КЗ то но ный детектор 21 меняет знак коэффито можнозаписать:циента передачи для входного сигнала с той же частотой, что и входнойг 2 =г 2 =К 8=( 1=1)//КЗ:(К 4+К 5) //КЗ=6КЗ КЗ д М постоянно, и пропорционально напря - К 8; г 2 =г =К 8//Кб=(г 1 =г 1 )Ю жению смещения нуля (фиг,2 Л). Послефильтрации высокочастотных составля//КЗ=К 4 ( КЗ. ющих фильтром 22 нижних частот сиг9 11591нал поступает на светодиоды первой ивторой диодных оптопар 23 и 24.В зависимости от знака напряжения.смещения, нуля ОУ 2 меняется полярностьнапряжения на выходе фильтра 22 и,следовательно, ток течет только через один из светодиодов, так каксветодиоды диодных оптопар 23 и 24включены встречно-параллельно: приположительном напряжении на выходе 10фильтра 22 ток протекает через светодиод второй диодной оптопары 24,при отрицательном в ,через светодиодпервой днодной оптопары 23.Так как фотодиоды диодных оптопар 1323 и 24 работают в энергетическомрежиме, фото-ЭДС вырабатывается либодиодной оптопарой 23 на первом и вто- .ром выходах преобразователя 20, либодиодной оптопарой 24 на третьем и 2 рчетвертом его выходах, компенсирует .напряжение смещения нуля ОУ 2 любойполярности, поскольку фотодиоды опто. пар 23 и 24 подключены к входам ОУ,250 1 О одноименными выводами, За счет действия отрицательной обратной связи по напряжению смещения нуля при достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 19 достигается почти полная компенсация напряжения смещения нуля ОУ 2 напряжениями на выходах преобразователя 20. Седьмой и восьмой резисторы 25 и 26 выравнивают выходное сопротивление преобразователя 20, уменьшая его влияние на работу устройства. Включение выходов преобразователя 20 в цепь утечки по обоим входам ОУ 2 позволяет уменьшить влияние входных токов на выходной сигнал, так как симметрирует входные цепи ОУ 2.В предлагаемом устройстве напряжение смещения нуля и его дрейф могут быть уменьшены в 100-1000 раз. Благодаря этому становится возможным использование операционных усилителей с полевыми транзисторами на входе,1159150 Рыка укод ЫУ Составитель А.Осиповичактор И.Рыбченко Техред М.Гергель Коррек Втяга н осуда ам из 4 5 оскв ППП "Патент", г,ужгород, ул.Проектная Зака 3607/55 ф ВНИИПИ по д 113035, 872венногетений-35, Р Подпомитета СССРоткрытийская наб д.