Устройство для синхронной демодуляции амплитудно-модулированных сигналов Советский патент 1985 года по МПК H03D3/18 

теля 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, отличающееся тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит последовательно соединенные второй синхронный детектор, информационный и .опорный входы которого являются информационным и 50 опорньгм входами преобразователя переменного напряжения в постоянное соответственно, и фильтр нижних частот, между выходомкоторого н общей шиной включены встречно светодиоды первой и второй диодны5 оптопар, параллельно фотодиодам которых, подсоединены седьмой и восьмой резисторы соответственно и выводы которых являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами преобразователя переменного напряжения в постоянное.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОННОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ, содержащее генератор опорного сигнала,, операционный усилитель, к выходу которого, являющемуся выходом устройства для синхронной демодуляции амплитудно-модулированньпс сигналов, подключены последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, а также первый и второй ключи, управляющие входы которых подключены к генератору опорного сигнала, замыкающий контакт первого ключа соединен с общей шиной, а переключающий контакт - с первым выводом четвертого резистора, а также пятый и шестой резисторы, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьшения стабильности, переключающий 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 которых подключены к выходу генератора опорного сигнала непосредственно, а объеиГ:ГгВ9ЧйДд -3% к;-..::,.-.л.. la А/.,:..;:-1. - KS;,: ч:л .i.1ii.li., диненные вторые входы - через делитель частоты, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом элемента И и с управлякяцим входом третьего ключа, замыкающий контакт которого является входом устройства для синхронной демодуляции амплитудно-модулированных сигналов и подключен к другому вьшоду 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 с общей шиной, а переключающий кон(Л такт - с первым выводом пятого резистора, второй вьюод 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 01 резистора, первьй вывод которого подсо ел ключен к переключающему контакту пятого ключа через щестой резистор, последовательно соединенные первый синхронный -детектор, информационный вход которого подключен к выходу операционного усилителя, усилитель переменного напряжения и преобразЬватель переменного напряжения в постоянное, первьй, второй, третий и четвертый выходы которого подключены к точке соединения первого и второго резисторов, к инвертирующему входу операционного усилителя, к переключающему контакту пятого ключа и к неинвертирующему входу операционного усили

Изобретение относи- ся к автоматике и анашоговой вычислительной техни ке и может быть использовано для двухполупериодного фазочувствительно го детектирования амплитудно-модулированных (AM) сигналов в измерительной технике. . Известен синхронньп демодулятор, содержащий операционный усилитель (ОУ), между выходом которого, являющимся выходом синхронного демодулятора, и общей шиной включены первый ре зистор, второй резистор и клЮч, третий и четвертый резисторы, первые вьгооды которых объединены и являются входом синхронного демодулятора, а вторые выводы подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ соотзетственно, при этом между неинвертирующим входом ОУ и общей шиной включен пятый резистор Известный синхронный демодулятор, а также аналогичные ему устройства для синхронной демодуляции на базе ОУ обеспечивают высоку точность, широкий частотньй диапазон, имеют , относительно малые габариты, легко микроминиатюризируются, однако на точность влияют напряжение смещения нуля и его дрейф. Наибольший частотньш диапазон имеют ОУ с непосредственными связями, а также усилители с каналом МДМ (модуляция - демодуляция), построенные по способу обратного преобразования. Последние обеспечивают автоматическую компенсацию напряжения смешения, но только при неизменном коэффициенте усиле ния ОУ, что выполнимо при большом коэффициен.те усиления. Операционные усилители с непосредственной МДМ имеют ограниченный частотный диапазон, так как трудно обеспечить значительную компенсацию напряжения смещения и одновременно обеспечить устойчивость усилителя. Поэтому такие ОУ используют чаще всего при пониженном частотном диапазоне (единицы десятки килогерц). J , . , Наиболее близким,по технической сущности к предлагаемому является устройство для синхронной демодуляции AM сигналов , содержащее генера-: тор опорного сигнала, первый ОУ, к выходу которого, являющемуся выходом устройства для синхронной демодуляции AM сигналов, подключены последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, второй ОУ, выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора, третий ОУ выход которого подключен 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 щиной соответственно, а управляющие входы соединены с выходом генератора опорного сигнала,при этом между инвертирующими входами второго и третьего ОУ и выходом первого ОУ включены щестой и седьмой резисторы соответственно, между неин3, вертирующим входом первого ОУ и общей . шиной включен восьмой резистор, а между неинвертирующими входами второ го и третьего ОУ и первым и вторым входами устройства для синхронной демодуляции AM сигналов - девятый и десятый резисторы соответственно 23 Известное устройство характеризуется недостаточно высокой стабильностью выходных параме тров при воздействии дестабилизирующих факторов, в частности температуры. / Цель изобретения - повышение стабильности выходных параметров устрой ства для синхронной демодуляции AM сигналов. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для синхронной демо дуляции AM сигналов, содержащем гене ратор опорного сигнала, операционный усилитель, к выходу которого, являющемуся выходом устройства для синхронной демодуляции AM сигналов,подключены последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, первый и второй ключи, управляющие входы которых подключены к генератору опорного сигнала, замыкакиций контакт первого ключа соединен с общей шиной, а переключающий контакт - с первым выводом Четвертого резистора, а также пятый и тестой резисторы, переключаниций контакт первого и замыкаклций контакт второго ключей объе динены, в него введены третий, четвертый и пятый ключи, делитель частоты, элемент .ИЛИ, элементы И и ШШНЕ, объединенные первые 1входы которых подключены к выходу генератора опорного сигнала непосредственно, а объединенные вторые входы - через делитель частоты, первый вход элемента ШШ соединен свыходом элемента И и с управляющим входом тре.тьего элемента И и с управляющим входом третьего ключа, замыкающий контакт которого является входом устройства для синхронной демодуляции AM сигналов и подключен к другому вьгооду третьего резистора и к переключающему контакту второго ключа, а переклю чающий контакт - к точке соединения второго и третьего резисторов, второ вход элемента ШШ подключен к выходу элемента ЙЛИ-НЕ и к управлякнцему входу четвертого ключа, замыкающий контакт которого соединен с общей ши ной, а переключающий контакт - с пер 504 вым 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 вьтодом четвертого резистора, первый вывод которого подключен к переключающему контакту пятого ключа через шестой резистор, последовательно соединенные первый синхронньп детектор, информационный вход которого подключен к выходу ОУ, усилитель переменного напряжения и преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены к точке соединения первого и второго резисторов, к инвертирующему входу ОУ, к переключаквдему контакту пятого ключа и к неинвертирующему входу ОУ соответственно, а опорный вход к выходу делителя частоты, при этом опорный вход первого синхронного детектора соединен с выходом генератора опорного сигнала. Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит последовательно соединенные второй синхронный детектор, информацион1шй и опорный входы которого являются информационным и опорным входами преобразователя переменного напряжения в постоянное соответственно, и фильтр нижних частот, между выходом которого и общ(вй шиной включены встречно светодиоды первой и- второй диодных оптопар, параллельно фотодиодам которьк подсоединены седьмой и восьмой резисторы соответственно и выводы которых являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами преобразователя переменного напряжения в постоянное. На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства} на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг.З - эквивалентные схемы состояний включения устройства для разных времен его работы. Устройство для синхронной демодуляции АН сигналов содержит генератор 1 опорного сигнала, ОУ 2, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы 3-8, первый, второй, третий, четвертый и пятый ключи 9-13, / елитель 14 частоты,эле511

мент ИЛИ 15, элемент И 16, элемент ИЛИ-НЕ 17, первый синхронный детектор 18, усилитель 19 переменного напряжения и преобразователь 20 переменного напряжения в постоянное, который состоит из второго синхронного детектора 21, фильтра 22 нижних частот, первой и второй диодных оптопар 23 и 24, седьмого и восьмого резисторов 25 и 26,

Устройство для синхронной демодуляции AM сигналов работает следующим образом.

Генератор 1 опорного сигнала вырабатывает напряжение прямоугольной формы (фиг.2 А), которое удалее поступает на делитель 14 час-готы, например, на два. Выходные сигналы с генератора 1 опорного сигнала (фиг.2А) и делителя 14 частоты (фиг.2 Б) поступают на вход элемегтов И 16 и

1ШИ-НЕ 17. На выходе элемента И 16 положительный перепад напряжения возникает при совпадении положительных логических уровней на его входах (фиг.2 В)-на выходе элемента ШШ-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, И, 12 и 13 переходят в открытое состояние при поступлении на их управляющие входы положительного уровня напряжения (фиг.2 А, В, Г, Д). Ключ 9 в данном случае переходит в закрытое состояние. На фиг.3 эквивалентные схемы приведены для разных состояний ключей 9, 10, 11, l2 и 13, которые возникают в процессе работы устройства: на фиг.З А приведена эквивалентная схема включения, когда ключи 10, 11 и 13 замк1}уты,а ключи 9 и 12 paзoмкнyтыi на фиг.З Б - эквивалёнтная схема включения, когда ключ 10 замкнут, а ключи 9, 11, 12и13 разомкнуты на фиг.З В - эквивалентнал схема включения, когда ключ 9 замкнут, а ключи 10,11, 12и 13 разомкнуты, на фиг.З Г - эквивалентная схема включения, когда ключи 9, 12 и 13 замкнуты, агключи 10 и 11 разомкнуты.

Из эквивалентных схем включения фиг.З А, Б видно, что при открытом ключе 10 независимо от состояний ключей 13 и 11 коэффициент передачи по

50-О

входному сигналу равен , так как за счет действия отрицательной обратной связи через резистор 3, прИ достаточно большом коэффициенте усиления ОУ 2, входной ток через второй и 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 11 при о-Лсрытом ключе 10 (фиг.З А, Б):

Vo.(Hi|);

(1)

.л,еллоу к4+ЁГ (2)

где Uj - напряжение смещения нуля

на выходе ОУ 2;

R3,R4 иЯ5 - величины сопротивлений соответственно первого, второго и.третьего резисторов 3, 4 и 5. При поступлении на управляющий вход клЮчей 9 и 10 отрицательного перепада напряжений (лог.О, фиг.З 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

R3

К R4+R5

так как токи от действия входного сигнала через включенный четвертый, пятый и шестой резисторы 6, 7, и 8 не протекают.

Для вьшолнения условия равенства . величины сопротивлений второго и третьего резисторов 4 и 5 целесообразно выбирать так, чтобы R4+R5 R3. В противном случае на выходе ОУ 2 присутствует переменная составляющая напряжения с частотой входного сигнала (фиг.2 Е).

Напряжение смещения нуля на выходе ОУ 2 зависит от состояния ключа 12 (фиг.З В, Г):

и и (1+----)

(3)

cм WM R4+R5

ч,

R3

Т1

lR4+R5)Tl R7 смоч

/O/.J-DC ||

где R7 - величина сопротивления пятого резистора 7..

Из сравнения выражений С1)...(4) видно, что Ц. и . Для соблюдения равенства U UJ необходимо, чтобы

7 RA(R4+R5) R4 КЗ

R7

R5

R5 В данном случае в процессе работ устройства напряжение .смещения нуля на выходе ОУ 2 имеет вид, показанны на фиг,2 Ж, ввиду того что во време ни за напряжением иД, следуют напря жения Uf , и Uj (фиг,2 А, В, Г, Д), . . Рассмотрим теперь влияние входны токов ОУ 2 на выходной сигнал в процессе работы устройства. Обозначим величины сопротивлений (сопротивления утечек) между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ 2 и.общей шиной соответственно через г1 и г2, а входные токи по данным входам соответственно через II и 12. Тогда напряжение смещения на выходе ОУ 2 (за счет влияния входных токов) определяется из выраженияи I2r2(H--7)-11R3, -г/Илri Для уменьщения влияния входных токов целесообразно номиналы резисторов выбирать так, чтобы r2 r1//R3 т,е. чтобы вьшолнялось равенство сопротивлений утечки по обоим входа ОУ., В данном случае и..„ (12-11 )R3 Из. выражения (6) следует, что пр соблюдении равенства r2 r1//R3 выхо ное напряжение-смещения Ug имеет ха рактер постоянного напряжения. При (12-11) из вьфажения (6) видно, что , - о, Из фиг.З следует, что , г1 r1 R4+R5,rf (R44.R5)//R7, а г2 г2 R8//R6, R8, оде R6 и R величины сопротивлений четвертого и щестого резисторов 6 и 8,gj.. R С учетом того, что R4+R5 R3 находим, что rl R4, Таким образом, г1 г1 , Поскольку г2 следует выбирать с учетом.равенства r2 ir1//R3, то можн записать: (rf r1«)//R3 R4+R5)/./R3 -2-, r2 r/ R8//R6( / R3.

11591508

Пусть , где - KornMiHitnент пропорциональности, Тогдл R8//R(i« R8 R6 R3R6 R/,, R8+R 6 R3+2R6 m+1 откуда R6 7-R3, 1-m Следовательно, вьтолнение условий и позволяет поддержи-. 2 . |-ш вать равенство сопротивлений утечек по обоим входам ОУ 2 для всех рабочих состояний устройства, что исключает появление переменного напряжения на его выходе, Таким образом, на выходе ОУ присутствуют напряжения, определяемые входHbiM сигналом (фиг,2 Е), напряжением смещения нуля (фиг,.2 Ж) и постоянным напряжением, пропорциональным разности входных токов (6), На информационный вход первого синхронного детектора 18 поступает только переменная составляющая выходного напряжения ОУ 2 (фиг,2 Е,Ж), Так как сигнал на выходе первого синхронного детектора 18 периодически меняет полярность с частотой генератора 1 опорного сигнала (фиг,2 А),то переменная,составляющая, возникающая при неравенстве коэффициентов передаЧИ K и K (фиг.2. E), на выходе первого синхронного детектора 18 преобразуется в постоянное напряжение (фиг.2 И), а переменная составляющая, пропорциональная напряжению смещения нуля, сохраняет свою форму, но сдвигается на 90 и по фазе отличается от сигнала с выхода делителя 14 частоты -на два на ±180° (фиг.2 К). Фаза леременного напряжения на выходе первого синхронного детектора 18 зависит от знака напряжения смещения нуля. Переменный сигнал, пропорциональный напряжению смещения нуля, усиливается усилителем 19 переменного напряжения, поступает на второго синхронного детектора 21 преобразователя 20 переменного напряжения в постоянное. Так как второй синхронньш детектор 21 меняет знак коэффииента передачи для входного сигнаа с той же частотой, что и входной сигнал, то его выходное напряжение остоянно, и пропорционально напряению смещения нуля (фиг.2 Л). После ильтрации высокочастотных составлящих фильтром 22 нижних частот сигнал поступает на светодиоды первой и второй диодных оптопар 23 и 24. В зависимости от знака напряжения смещения, нуля ОУ2 меняется полярность напряжения на выходе фильтра 22 и, следовательно, ток течет только через один из светрдиодов, так как свётодиоды диодньга оптопар 23 и 24 включены встречно-параллельно: при положительном напряжении на выходе фильтра 22 ток протекает через светодиод второй диодной оптопары 24, при отрицательном -.через светодиод первой диодной оптопары 23. Так как фотодиоды диодных оптопар 23 и 24 работают в энергетическом режЮ1ё, фото-ЭДС вырабатывается либо диодной оптопарой 23 на первом и втором выходах преобразователя 20, либо диодной оптопарой 24 на третьем и четвертом его выходах, компенсирует напряжение смещения нуля ОУ 2 лаобой полярности, поскс1льку фотодиоды оптопар 23 и 24 подключены к входам ОУ .2 1 и 010 одноименными выводами. За счет действия отрицательной обратной связи по напряжению смещения нуля при достаточно большом козффициенте усиления усилителя 19 достигается почти полная компенсация напряжения смещения нуля ОУ 2 напряжениями на выходах преобразователя 20. Седьмой и восьмой резисторы 25 к 26 вьфавнивают выходное сопротивление преобразрвателя 20, уменьщая его влияние на работу устройства. Включение выходов преобразователя 20 в цепь утечки по обоим входам ОУ2 позволяет уменьшить влияние входных токов на выходной сигнал, так как симметрирует входные цепи ОУ2. 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.

П П П П П П Г

J.

П

1 t 1

K-f-К+K-fK-f-KI-Ki l VfnuU ir

±i

I-V-MT-T-i -r-f

M

И

1--I,. .1

1 Г

П

П

П

(put. 2

Вход

йЭ Вход Вход - В-н±

Вход -

з

8

Ф1

Выход Выход Выход -J в