Устройство для синхронной демодуляции амплитудно- модулированных сигналов

 

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

„„SU, ДЩЯ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(st) Н 03 D 3/18

7,1

1йе ?

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3697788/24-09 (22) 31.01.84 (46) 30.05.85. Бюл. N - 20 (72) Б.А.Джулай и В.Д.Зибров (53) 621.376.23(088 ° 8) (56) 1. Гутников В.С. Интегральная электроника в электроизмерительных устройствах. Л., "Энергия", 1980, с. 159, рис.2-5 б.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 720683, кл. Н 03 D 3/ 18, 1980 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОННОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ,. содержащее генератор опорного сигнала, операционный усилитель, 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 генератору опорного сигнала, замыкающий контакт первого ключа соединен с общей шиной, а переключакнций 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 повышения 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 которых подключены к выходу генератора опорного сигнала непосредственно, а объединенные 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 элемента ИЛИ-НЕ и к управляющему входу четвертого ключа, замыкающий контакт которого соединен 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 переключающему контакту пятого ключа и к неинвертирующему входу операционного усили11591 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, 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

50 опорным входами преобразователя переменного напряжения в постоянное соответственно, и фильтр нижних частот, между выходом которого и общей шиной включены встречно светодиоды первой и второй диодных оптопар, параллельно фотодиодам которых, подсоединены седьмой и восьмой резисторы соответственно и выводы которых являются первым, вторым, третьим и четвертым е выходами преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Изобретение относи ся к автоматике и аналоговой вычислительной техни- ке и может быть использовано для двухполупериодного фазочувствительного:детектирования амплитудно-модули- . рованных (AN) сигналов в измерительной технике.

Известен синхронный демодулятор, содержащий операционный усилитель (ОУ), между выходом которого, являю- 1п щимся выходом синхронного демодулятора, и общей шиной включены. первый резистор, второй резистор и ключ, третий и четвертый резисторы, первые выводы которых объединены и являются 13 .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 $1j .

Известный синхронный демодулятор, а также аналогичные ему устройства для синхронной демодуляции на базе

ОУ обеспечивают высокую точность, широкий частотный диапазон, имеют е относительно малые габариты, легко микроминиатюризируются, однако на точность влияют напряжение смещения нуля и его дрейф. Наибольший частотный диапазон имеют ОУ с непосредственными связями, а также усилители с каналом ИДИ (модуляция — демоду" ляция), построенные по способу обратного преобразования. Последние 35 обеспечивают автоматическую компен.сацию напряжения смешения, но только при неизменном коэффициенте усиле2 ния 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 yc" тойчивость усилителя. Поэтому такие

ОУ используют чаще всего при пониженном частотном диапазоне (единицы— десятки килогерц).

Наиболее близким,по технической сущности к предлагаемому является устройство для синхронной демодуляции AN сигналов, содержащее генера-. тор опорного сигнала, первый ОУ, к выходу которого, являющемуся выходом устройства для синхронной демодуляции AN 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 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,1159150 4 вертирующнм входом первого ОУ и общей вым 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 синхронной ляющему входу пятого ключа, замыкаюдемодуляции АИ 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- 16 через шестой резистор, последовательдействии дестабилизирующих факторов, но соединенные первый синхронный дев частности температуры ° тектор, информационный вход которого

Цель изобретения - повышение ста- подключен к выходу ОУ, усилитель пебильности выходных параметров устрой- ременного напряжения и преобразоваства для синхронной демодуляции АИ 1 тель переменного напряжения в постосигналов. янное, первый, второй, третий и четПоставленна оставленная цель достигается тем, ч вертый выходы которого подключены к что в устройстве дл тве для синхронной демо- резисторов к инве ти точке соединения первого и второго

ОУ ратор .опорного сигнала операционный усилитель, к выходу которого являющемуся выходом устройства для синк выходу делителя частоты, при этом вход первого синхронного де до ательно сбединенные тектора соединен с выходом генератоыи, второи и третий резисторы, ра опорного сигнала. первый и второй. ключи, управляющие кото ых подключены к генератоПреобраэователь переменного нару опорного сигнала а, замыкающии конпряжения в постоянное содержит после. такт первог вого ключа соединен с общей довательно соединенные второй синр ю детектор, информационныи и первым выводом четвертого резисто истора, опорный входы которого являются ина также пятый и шес тон резисторы, формационным и опорным входами преобразователя переменного напряжения мыкающий контакт второго ключей объединены в него введены третий чет- ЭЗ которого и общен шинои включень встречно светодиоды первои и второй диоды оптопар, параллельно фотодио дам которых подсоединены седьмой и опорного сигнала непосредственно а 6 объединенные вторые входы — через и выводы которых являются первым, делитель частоты первый вход прео разователя переменного навыходом элемен- пряжения в п та И и с управляющим входом т элемента И и с управляющим входом электрическая схема предлагаемого которого является входом устройства устройства, на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг ° 3 - эквивалентные схемы состретьего резистора и к переключающе- Ы ных времен его работы. чающии контакт — к точке соединения .Устройство для синхронной девторого и т етьего р резисторов, второй модуляции АИ сигналов содержит гене- . вход элемента ИЛИ подключен к выходу ратор 1 опорного сигнала ОУ 2 элемента ИЛИ-НЕ и к п а управляющему И первый, второй, третий, четвертый

Ф .t входу четвертого ключа замь люча, замыкающий пятый и шестой резисторы 3-8 пе вый

Ф У Э Э контакт кото or р о соединен с общей ши- второй, третий, четвертый и пятый ной, а переключающий контакт - с пер- ключи 9-13

1, делитель 14 частоты,эле1159150

R3 см з ь RÇ см t - ое 24+ К5 (2) R3

K=- — ——

R4+R5 (1+ ) °

R3 (3) R4+R5

t R3 (К4+К5) Й R7

U.=U е см

Г

11см =бэсм оч 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 .далее поступает на делитель 14 чаототы, 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

ИЛИ-НЕ 17. На выходе элемента И 16 положительный перепад напряжения возникает при совпадении положительных логически>. уровней на его входах (фиг.2 В), на выходе элемента ИЛИ-НЕ 17 перепад напряжения положителен при совпадении уронней (логического нуля) на его входах (фиг.2 Г); на выходе элемента ИЛИ 15 перепад напряже ния положителен при наличии положительных уровней хотя бы на одном из. его входов (фиг.2 Д).

Ключи 10, 11, 12 и 13 переходят н открытое состояние при поступлении наЭ5 их упранляющие входы положительного уровня напряжения (фиг.2 А, В, Г, Д).

Ключ 9 в данном случае переходит в закрытое состояние. На фиг.З эквивалентные схемы приведены для разных состояний ключей 9, 10, 11 12 и 13, которые возникают н процессе работы устройства: на фиг.3 А приведена эквивалентная схема включения, когда ключи 10, 11 и 13 замкнуты,а ключи 9 и 12 разомкнуты, на фиг.3 Б — эквива-, лентная схема включения, когда ключ

10 замкнут, а ключи-9, 11, 12.и 13 разомкнуты, на фиг.3  — эквивалентная схема включения, когда ключ 9 замкнут, а ключи 10, 11, 12 и 13 разомкнуты, на фиг.3 à — эквивалентная схема включения, когда ключи 9, 12 и l3 замкнуты, а ключи 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 входному сигналу равен k -=-+1, 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 нходное сопротивление становится достаточно большим, Напряжение смещения нуля на выходе ОУ 2 занисит от состояния ключа 11 при открытом ключе 10 (фиг.3 А, Б) где Б „ — напряжение смещения нуля с " Ч на выходе ОУ 2;

R3,R4 и R5 — 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."0", фиг.Ç В, Г) ключ 10 переходит н 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 входного сигнала через включенный четвертый, пятый и шестой резисторы 6, 7, и 8 не протекают.

Для выполнения условия раненства

/К /=/К /=1 величины сопротивлений второго и третьего резисторов 4 и 5 целесообразно выбирать так, чтобы

Б4+К5=RÇ. В противном случае на выходе ОУ 2 присутствует переменная состанляющая напряжения с частотой входного сигйала (фиг.2 Е).

Напряжение смещения нуля на выходе ОУ 2 зависит от состояния ключа

12 (фиг.Ç В, Г): где R7 " величина сопротивления пятого резистора 7..

Из сравнения выражений (1)...(4)

Б е видно, что 0 =U „ . Для соблюдения равенства И" =О, необходимо, чтобы

R4(R4+R5) R4 КЗ

К 7---.— —---- R5 R5

Пусть К4=шКЗ, где m < 1 — xo ф41н пент пропорциональности, Тогда RS/t R6

Я устройства напряжение смещения нуля R8+Rá RÇ+2Rá в+1 на выходе ОУ 2 имеет вид, показанный

m откуда Кб= — — КЗ. на фиг.2 Ж, ввиду того что во времеi-m

Ф ни за напряжением U следуют напря- Следовательно, выполнение условий жения U,, Ф и U, (фиг.2 А, В, КЗ . m

СМ 1 щ СМ Rá= — и К8=--»КЗ позволяет поддержи-, Рассмотрим теперь влияние входных вать равенство сопротивлений утечек токов ОУ 2 на выходной сигнал в по обоим входам ОУ 2 для всех рабочих процессе работы устройства. состояний устройства, что исключает

Обозначим величины сопротивлений появление переменного напряжения на (сопротивления утечек) между инвер- его выходе.

15 тирующим и неинвертирующим входами Таким образом, на выходе ОУ присутОУ 2 и общей шиной соответственно - ствуют напряжения, определяемые входчерез r1 и r2, а входные токи по ным сигналом (фиг.2 Е), напряжением данным входам соответственно через смещения нуля (фиг.2 Ж) и постоянным

I1 и I2, Тогда напряжение смещения напряжением, пропорциональным раэносна выходе ОУ 2 (за счет влияния ти входных токов (6). входных токов) определяется из вы- На информационный вход первого ражения синхронного детектора 18 поступает

R3 только переменная составляющая выходU„ I2r2(1+ †)-Т1КЗ. (5) ного напряжения ОУ 2 (фиг.2 Е,Ж).

Так как сигнал на выходе первого

Для уменьшения влияния входных синхронного детектора 18 периодически токов целесообразно номиналы резис- меняет полярность с частотой генераторов выбирать так, чтобы г2=г1//КЗ, тора 1 опорного сигнала (фиг.2 А),то т.е. чтобы выполнялось равенство переменная составляющая возникающ

30 сопротивлений утечки по обоим входам при неравенстве коэффициентов передаОУ.. В данном случае чи K+ и К» (фиг.2 Е), на выходе первого синхронного детектора 18 преобU =(I2-I1)R3 (6) разуется в постоянное напряжение (фиг.2 И), а переменная составляющая, Из.выражения (6) следует, что при 3S пропорциональная напряжению смещения соблюдении равенства r2r1//RÇ выход- нуля, сохраняет свою форму но сдвиO но сдви ное напряжение- смещения U имеет ха- гается на 90 и по фазе отличается рактер постоянного напряжения. При от сигнала с выхода делителя 14 час(Х2-I1) О иэ выражения (6) видно, -. тоты .на два íà t 180- (фиг.2 К). фаза Д) °

40 леременного напряжения на выходе пер4 ,1ВКЧ+К5 г1Г=(К4+К5)//К7 а 2А " " н.пряж н я см "ни. Ну

=r2 =R8//R6, r2 =r2 =R8, где Кб и R8величины сопротивлений четвертого и 45

Переменный сигнал, пропорциональшестого резисторов 6 и 8. р, ныи напРЯжению смещениЯ нУлЯ, УсилиС учетом того, что и вается усилителем 19 переменного иаК4+К5=КЗ находим что r1" =К4 Таким синхронного детектора 21 преобразоо разом, вателя 20 переменного напряжения в

Поскольку г2 следует выбирать с постоЯнное. Так как втоРой синхРон

S0 учетом. равенства r2-"г1//КЗ то мож . ный детектор 21 меняет знак коэффито можно записать: циента передачи для входного сигнала с той же частотой, что и входной

1о»

$ 6»

R3 R3 A -5$ постоянно, и пропорционально напря— R8= 2 r2 =г =К8//Rá=(r1 =г1 igt/ жению смещения нуля (фиг.2 Л). После фильтрации высокочастотных составля//R3=R4 tt R3. ющих фильтром 22 нижних частот сиг9 11591 нал 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 светодиодов, так как светодиоды диодных оптопар 23. и 24 включены встречно-параллельно: при положительном напряжении на выходе 10 фильтра 22 ток протекает через светодиод второй диодной оптопары 24, при отрицательном †.через светодиод первой днодной оптопары 23.

Так как фотодиоды диодных оптопар 1$

23 и 24 работают в энергетическом режиме, фото-ЭДС вырабатывается либо диодной оптопарой 23 на первом и втором выходах преобразователя 20, либо диодной оптопарой 24 на третьем и 2р четвертом его выходах, компенсирует . напряжение смещения нуля ОУ 2 любой полярности, поскольку фотодиоды опто. пар 23 и 24 подключены к входам ОУ,2

1О одноименными выводами. За счет дей» ствия 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 выхо- . дах 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 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.

Ж И

f159150 и

Яие. Г

1159150

Рыка

9к0д

РЫУОд дед

Ъ яюд

ggauP

Составитель А.Осипович

Редактор И.Рыбченко Техред М.Гергель Корректор В.Бутяга

Заказ 3607/55; Тираж 872 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4