Двухканальный квадратурный синхронный детектор
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
ПО КУРСУ
«Наноэлектроника»
«ДВУХКАНАЛЬНЫЙ
КВАДРАТУРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР»
ВЫПОЛНИЛ:
Гусев
Олег Александрович
ГРУППА:
Эр-01-12
РУКОВОДИТЕЛЬ:
Качанов
В.К.
Москва,2015
1. Подготовка
1.1 Структурная схема устройства
Рисунок 1.Структурная схема
двухканального квадратурного синхронного детектора
Итак, искомый сигнал, предварительно усиленный
поступает на перемножители 1 и 4,генератор синусоидальных колебаний 2 выдает
сигнал синхронный по частоте и амплитуде с искомым на перемножитель 1 а на
перемножитель 4 опорный сигнал поступает через фазовращатель 3,который дает
сдвиг фазы на 90° и соответственно если на перемножитель 1 поступает синусоида
то на перемножитель 3 поступит функция косинуса, далее сигналы идут на фильтры
низких частот 6 и 5,где отпадет высокочастотная составляющая перемноженного
сигнала и далее сигналы возводятся в квадрат с помощью квадраторов 7 и 8,
складываются на сумматоре 9 и в конце происходит извлечение корня.
2. Пояснительная записка по курсовому проекту
.1 Расчет операционного усилителя LM358
Рисунок 2.Схема ОУ с инвертирующим
входом
R2 = 5000 Ом ; R1=500
Ом;ОУ-LM358
На вход подан сигнал U(t)=Um*sin(wt+φ)
Известно что амплитуда Um=0.3В
; w=2pi*f,где
f=100кГц
Чтобы найти сигнал на выходе нужно решить
систему уравнений:
Fин(g1+g2)-Uвых*g2=Uвх*g1
Fнеин=0
Fинв=Fнеин
Uвых=-Uвх*R2/R1=-0.3В*5000/500=-3В
Амплитуда увеличивается в 10 раз и выходной
сигнал U(t)=-3В*sin(wt+φ)
Рисунок 3.а) Входной сигнал. б)
Выходной сигнал
.2 Расчет фазовращателя
двухканальный квадратурный синхронный
детектор
В качестве опорного сигнала используем сигнал с
генератора и который будет равен
Uоп(t)=U*sin(wt)
На перемножителе 3 нам нужна функция косинуса
поэтому используем фазовращатель.
Рисунок 3.Схема фазовращателя
Нужно изменить фазу сигнала на 90° и для этого
нужно подобрать такие параметры схемы чтобы входное сопротивление Rвх
равнялось реактивному сопротивлению конденсатора.
Uоп=3В*sin(wt)
Rвх=Xc
Rвх=1кОм
Xc=1/(2п*f*C)
следовательно С=1/(2п*f*Xc)=1.592
нФ
Все остальные резисторы маркировки 1625984-3 с
номинальным сопротивлением 10кОм.
Изменение фазы узнаем по формуле:
Ψ=-2*arctg(2п*f*Rвх*C)=-90°
После фазовращателя опорный сигнал на
перемножиель будет равен:
Uоп=3В*sin(wt-90°)=1*cos(wt)
2.3 Расчет перемножителей
В данной работе мне нужно было подобрать хороший
аналоговый перемножитель, прочитав большое количество литературы я выделил для
себя несколько наиболее простых способов перемножения сигналов.
)микросхема на перемножителе 525пс1
)микросхема на перемножителе 526пс1
)526пс2
)140ма1
) Схемы АП с полевыми транзисторами в качестве
управляемых сопротивлений.
)Аналоговый перемножитель на основе принципа
логарифматор-антилогарифматор.
Ввиду своей простоты устройства сначала я решил
использовать именно 6-ой пункт.
Принцип расчета довольно прост:
Сначала искомый и опорный сигнал поступают на
логарифматоры где выходные сигналы пропорциональны натуральному логарифму
входных сигналов,далее сигналы суммируются в сумматоре и соответсвенно сумма
натуральных логарифмов является логарифмом произведения двух сигналов.Далее
сигнал идет на антилогарифматор где на выходе с помощью несложных расчетов
получается произведение 2 сигналов.НО разобравшись с ним,оказалось что он
работает в одном квадранте и поэтому я в дальнейшем использовал 526пс1 в
котором перемножение происходит в четырех квадрантах.
Умножитель 526пс1.
Рисунок4.Упрощенная схема 526пс1
Выходное напряжение определяется формулой
Uвых
= -Rн(i1
+ i4)=-Rн(x*y*I+(1-x)(1-y)I-(1-y)xI-y(1-x)I)=-Rн*I*(2x-1)(2y-1)
Коэффициенты
x=1/2*(1+th(Ux/2φt
)), y=1/2*(1+th(Uy/2φt
))вых=-Rн*I*
th(Ux/2φt)*
th(Uy/2φt)
Для малых уровней входных напряжений выходное
напряжение пропорционально произведению входных:
Uвых=-Rн/2φt
*I*Ux* Uy==-Rн/2φt
*I-масштабный
коэффициент
В данном случае я взял нагрузку Rн=26
кОм
φt=26мВ при T=20
градусов
соответственно
Uвых=Ux*Uy
.5 Расчет фильтров низких частот
Рисунок 5.Схема фильтра низких
частот
Амплитуда сигнала у нас до сих пор меньше
6В,поэтому можем дальше использовать ОУ LM358
При подаче синусоидального сигнала,форма не
меняется,но уменьшается амплитуда.
Решим систему уравнений:
Fинв(g1+g2+jwC)-Uвых(g2+jwC)=Uвх/R1
Fнеин=0
Fинв=Fнеин
Uвых=-Uвх*R2/(R1(1+jwCR2))
R1=1 кОм резистор
RNF14BAE1K04
R2=1 кОм резистор
RNF14BAE1K04
C=1 нФ конденсатор
TSF-40C
Uвых1=3.811*cos(φ)
Uвых2=3.811*sin(φ)
.6 Расчет квадратора
Рисунок6.Схема квадратора
Схема данного квадаратора построена на
умножителе 525пс1.
Квадратор устроен так, что при подаче на вход
сигнала, выходной сигнал будет пропорционален квадрату входного.
Квадраторы работают с ошибками, но будем считать
что он у нас уже настроен. Итак,у нас на входе:
Uвх1=3.811*cos(φ)
Uвх2=3.811*sin(φ)
На выходе будет получаться :
Uвых1=14.52*cos^2(φ)
Uвых2=14.52*sin^2(φ)
.7 Сумматор
Рисунок 7.Схема сумматора
R1=R2=R3=2кОм
ОУ LM324
Чтобы просуммировать 2 сигнала нужно решить
систему уравнений:
Fинв(g1+g2+g3)-Uвх(g1)-Uвх(g2)-Uвых(g3)=0
Fнеин=0
Fинв=Fнеин
Uвх1*g1-Uвх2*g2-Uвых*g3=0
При равенстве R1=R2=R3
U=-(Uвх1+Uвх2)=-
(14.52 * cos^2(φ)+
14.52* sin^2(φ))=-14.52(cos^2(φ)+sin^2(φ))=-14.52
В
Извлечение корня.
На выходе у нас стоит схема позволяющая извлечь
корень из сигнала:
Uвх=14.52 В и
соответственно на выходе будет Uвых=3.811
В
Рисунок 8.Извлечение корня
В случае извлечения корня как и в случае с
квадратором, схема работает не без ошибок и ее нужно настраивать. Путем
надстроек можно добиться погрешности в 2%.
.8 Промежуточный вывод
Итак на входе был гармонический сигнал а на
выходе благодаря двухканальной структуре сигнал стал постоянным мы избавились
от проблем связанных с изменением начальной фазы сигнала и на выходе устройства
сигнал пропорционален входному сигналу.
Рисунок 9. а) Входной сигнал б)
Выходной сигнал
3. Дополнение к пояснительной записке по
курсовому проекту
.1 Описание синхронного детектора
Перед тем как рассчитывать двухканальный
квадратурный синхронный детектор я разобрался что же такое просто синхронный
детектор, что он из себя представляет и зачем он нужен.
Итак, у нас есть 2 сигнала один из которых
искомый сигнал, который представлен в виде U(t)=U*sin(wt+φ)
а
другой опорный сигнал который представлен в виде Uоп(t)=Usin(wt).
Так как детектор синхронный то у нас опорный
сигнал синхронен по частоте и амплитуде с искомым.
Синхронное детектирование основано на операции
умножения сигналов.
В случае, когда измеряемый и опорный сигналы
синхронны, на выходе синхронного детектора присутствует постоянная
составляющая. Амплитуда данной постоянной составляющей пропорциональна
амплитуде входного сигнала и зависит от фазового сдвига входного сигнала
относительно опорного сигнала. Т.е. в этом случае синхронный детектор работает
подобно амплитудному детектору.
Синхронный детектор преобразует полезный
переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя, в постоянный
сигнал. Важной особенностью синхронного детектора является возможность
выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех, значительно превышающих
полезный сигнал по амплитуде.
При перемножении опорного и искомого сигнала у
нас получаются на выходе умножителя низкочастотная и высокочастотная
составляющие сигнала.
Для того чтобы не пропускать высокочастотную
состаляющую,ставим фильтр низких частот(в данной работе использовал фнч на
основе интегратора),и на выходе остается только низкочастотная составляющая
которая в синхронном детекторе имеет постоянное значение и пропорционально
только амплитуде входного сигнала.
Синхронный детектор обладает следующими
свойствами, важными для обработки сигналов: - обладает чувствительностью к фазе
и амплитуде измеряемого сигнала; - обладает высокой частотной избирательностью.
Благодаря данным свойствам синхронное детектирование широко используется в
технике связи, разнообразной измерительной аппаратуре, при проведении
экспериментальных исследований. Типичным примером использования синхронного
детектора является регистрация слабого сигнала от исследуемой системы на фоне
шумов и помех. На систему в качестве тестового сигнала подается переменное
воздействие от генератора. Слабый зашумленный отклик системы на данное
воздействие усиливается и поступает на синхронный детектор. Опорным сигналом служит
выход того же генератора. При необходимости компенсации фазового сдвига,
возникающего в исследуемой системе, в цепь выходного сигнала системы 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. Для того, чтобы
отказаться от необходимости подстройки фазового сдвига, можно воспользоваться
двумя синхронными детекторами, опорные напряжения которых взаимно сдвинуты на
90°. В этом случае напряжения на выходах синхронных детекторов будут
представлять собой квадратурные составляющие входного измеряемого напряжения.
.2 Применение синхронного детектора при
оптимальной фильтрации сложномодулированных сигналов
При использовании сложномодулированных сигналов
с последующим их сжатием во времени в оптимальном фильтре УЗ эхо-сигналы
представляют собой радиоимпульс, что не всегда позволяет точно определить
временное положение эхо-сигнала. По этой причине целесообразно представление
результатов контроля в виде видеоимпульсов.
В традиционной дефектоскопии преобразование
радиоимпульса в видеоимпульс осуществляется преимущественно с помощью
амплитудного детектирования, однако условия выделения УЗ эхо-сигналов из белого
шума при контроле изделий с большим затуханием сигналов, требуют использования
синхронного детектирования эхо-сигнала, так как при синхронном детектировании не
ухудшается отношение сигнал/шум.
Суть синхронного детектирования
заключается в переносе спектра сигнала в область нулевых частот, при этом в
отличие от амплитудного детектирования сохраняется информация, содержащаяся в
фазе сигнала. Принцип действия синхронного детектора (СД) можно с некоторым
упрощением свести к умножению входного сигнала со случайной начальной фазой на опорное
напряжение, частота которого строго совпадает (синхронна) с частотой входного
сигнала , с
последующей фильтрацией высокочастотных составляющих в фильтре нижних частот
(ФНЧ).
После перемножения получается
сигнал:
(4)
(5)
Выражение (5) определяет работу
устройства под названием «фазовый детектор»: выходное напряжение на выходе
фазового детектора пропорционально входному сигналу V1, опорному
напряжению VОП и косинусу
сдвига фазы φ1 между
входным и опорным сигналами. Для того чтобы устранить неопределенность в
амплитуде эхо-сигнала, возникающую из-за неизвестной начальной фазы сигнала,
используют схему двухканальной квадратурной обработки, в которой обработка
сигнала с начальной фазой ведется в
двух параллельных каналах с опорными сигналами и . После перемножения и фильтрации в
каждом канале сигналы возводятся в квадрат, а затем суммируются. Выходной
сигнал на выходе сумматора не зависит от начальной фазы:
Сигнал после схемы извлечения
квадратного корня пропорционален входному сигналу.
Так при данном расчете на входе СД
был сигнал U(t)=3*sin(wt+φ) а на
выходе получилось U=3.811В
3.3 Применение синхронного детектора
для выделения сигналов из узкополосной помехи
Применение СД для выделения полезного сигнала из
узкополосной помехи. а) сигнал и помеха; б) опорный сигнал ωо;
в) сигнал на выходе СД
Итак у нас есть сигнал с определенной амплитудой
и частотой, также на рисунке видим спектр опорного сигнала.
На более высокой частоте присутствует помеха.
На графике (в) видим спектр сигнала после
перемножения, амплитуда спектра увеличилась и благодаря фильтру низких частот у
нас спектр сигнала переносится в область нулевых частот и помехи на высоких
частотах подавляются.
Например, помеха появляется на частоте 2МГц, на
выходе синхронного детектора эта помеха, при частоте опорного сигнала
628кГц,будет на частоте 1.372МГц а граничная частота будет в любом случае
меньше.
Вывод
В итоге делая данный проект я отметил, что
синхронный детектор позволяет решать целый комплекс проблем, которые не могут
быть решены в традиционной дефектоскопии, использующей простые немодулированные
сигналы без дополнительных обработок. Итак, мы преобразуем входной радиоимпульс
в видеоимпульс который позволяет оценить временное положение ультразвукового
эхо-сигнала, позволяет избавиться от помех на высоких частотах.
Приложение
имя
|
маркировка
|
колличество
|
номинал
|
Фирма
|
R
|
42J500E
|
1
|
500
Ом
|
Panasonic
|
R
|
TEH70M5K00JE
|
1
|
5000
Ом
|
Ohmite
|
Rвх
|
СП3-16Б
|
1
|
1..3
кОм
|
|
R
|
CMF501K9600FHEB
|
4
|
75кОм
|
Panasonic - ECG
|
R
|
RNF14BAE1K04
|
4
|
1kOm
|
Panasonic - ECG
|
R
|
ERD-S2TJ103V
|
3
|
10kOm
|
Panasonic - ECG
|
R
|
ERO-S2PHF5101
|
3
|
5.1kOm
|
Panasonic - ECG
|
R
|
ERD-S2TJ822V
|
6
|
22kOm
|
Panasonic - ECG
|
R
|
W21-3K3JI
|
3
|
2kOm
|
Panasonic - ECG
|
R
|
CFM14JT9K10
|
2
|
9.1кОм
|
Panasonic - ECG
|
R
|
3
|
7.5кОм
|
Panasonic - ECG
|
C
|
К15-5
|
1
|
1.592нФ
|
Платан
|
C
|
TSF-40C
|
2
|
1нФ
|
Panasonic
|
C
|
ECQ-U2A104ML
|
16
|
0.1мкФ
|
Panasonic
|
С
|
B32520C3104K
|
4
|
10мкФ
|
Panasonic
|
ОУ
|
LM-358
|
4
|
|
|
ОУ
|
LM-324
|
1
|
|
|
|
526пс1
|
2
|
|
|
Литература
Общая
литература:
.Качанов
В.К., Соколов И.В., Федоров М.Б, Концов Р.В.- ПРИМЕНЕНИЕ СИХРОННОГО
ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ С
БОЛЬШИМ ИНТЕГРАЛЬНЫМ ЗАТУХАНИЕМ СИГНАЛОВ.
.В.Т.Поляков-Радиолюбителям
о технике прямого преобразования.
.С.И.Баскаков-Радиотехнические
цепи и сигналы, третье издание.
.Н.Н.Буга,А.И.Фалько,Н.И.Чистяков-Радиоприемные
устройства.
.И.С.Гоноровский-Радиотехнические
цепи и сигналы.
.Проектирование
радиоприёмных устройств. Под ред. А.П. Сиверса.
.Цифровые
и аналоговые интегральные микросхемы. С.В. Якубовский, В.И. Кулешова, Л.И.
Ниссельсон.
.В.Г.Гусев,Ю.М.Гусев-Электроника
и микропроцессорная техника.
.
Херпи, М. Аналоговые интегральные схемы
.
Тимонтеев, В.Н.. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной
аппаратуре.
Патенты:
.
В.В. Кандыбин и М.П. Федоринчик-Синхронный детектор
.А.А.
Иваннив, С.Г. Романюк и В.М. Сакаль-Синхронный детектор.
.М.В.Иванчик-Синхронный
амплитудный детектор.
Дополнительная
литература:
.А.
А. Черторийский- СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ. Методические указания к лабораторным
работам.
.Г.И.
Кузин, А.Ф. Павлов- Модуляция и демодуляция.
.А.В.
Степанов-Синхронный детектор.
.Орлов
С.В- АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР. Методические указания по выполнению лабораторной
работы.
Интернет-ресурсы:
1.<http://www.techsolid.ru/solievs-324-1.html>
.<http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=118553>
.<http://www.freepatent.ru/patents/2222099>
4.http://electroshema.com/data/tom5/264.php