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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Detector síncrono de chave. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador O princípio de operação do detector síncrono de chave é ilustrado na Fig. 1.
O dispositivo tem uma entrada diferencial. Dois sinais iguais detectados são alimentados em antifase para uma chave eletrônica de alta velocidade. Para simplificar, na Fig. 1 interruptor é mostrado como mecânico. Vamos assumir que é ideal, ou seja, a comutação ocorre instantaneamente e sua resistência no estado fechado é zero. A operação da chave é controlada por um sinal, comumente chamado de referência. Deixe o sinal de referência controlar a operação da chave para que seu contato móvel esteja sempre conectado à entrada que atualmente possui uma tensão positiva. Isso é possível se o sinal de referência estiver sincronizado com o que está sendo detectado, por isso esse detector é chamado de síncrono. Para definição, é útil introduzir o conceito do ângulo de deslocamento de fase j entre o sinal detectado e o de referência, neste caso j = 0. Na saída da chave, obtemos um sinal que coincide em forma com um sinal completo sinal retificado por onda. Além disso, esse sinal passa por um circuito RC integrador, que suaviza a ondulação da tensão retificada. Na saída da cadeia, a tensão será igual a 2 / PI * Uc. A retificação ocorreu sem a participação de elementos não lineares. Aqui encontramos a primeira propriedade notável de um detector síncrono - a capacidade de detectar linearmente em qualquer amplitude do sinal detectado. Isso o torna extremamente atraente para inúmeras aplicações. Infelizmente, nem sempre é possível implementar um sinal de referência síncrono. Se a fase do sinal de referência for alterada em 180°, a tensão de saída mudará de polaridade, pois a chave passará apenas pelas meias-ondas negativas da tensão de entrada. Se o deslocamento de fase for de 90°, então a chave passará por ambas as meias-ondas positivas e negativas, como pode ser visto na Fig. 1. Na saída da cadeia de integração, o sinal será zero. Uma análise do circuito do dispositivo com um deslocamento de fase arbitrário leva à conclusão de que o sinal na saída do circuito integrador neste caso é igual a 2/PI*Uccos(f). A segunda propriedade notável de um detector síncrono são suas propriedades de fase. Pode funcionar como um detector de fase. Vamos considerar uma das aplicações de tal detector de fase. Se, além deste detector síncrono, que emite o sinal 2/PI*Uccos(f), usarmos mais um do mesmo detector, cuja fase do sinal de referência é adicionalmente deslocada em 90°, então o sinal em a saída deste detector adicional será igual a 2/PI*Ucsin (f). Como resultado, torna-se possível separar os componentes ativos e reativos do sinal. Em seguida, considere a operação de um detector síncrono em um modo assíncrono. Seja Fc a frequência do sinal detectado, F0 a frequência do sinal de referência, então o deslocamento de fase entre esses sinais será igual a j = (Fc - F0)t. Como resultado, a saída do detector síncrono não é uma constante, mas uma tensão alternada da frequência de diferença. No entanto, essa tensão é obtida na saída do circuito RC integrador, o que reduz a magnitude da amplitude da tensão com o aumento da diferença de frequência. O valor total da tensão na saída do detector síncrono é determinado pela expressão
A dependência da frequência da amplitude deste sinal é a mesma de um circuito oscilatório convencional com um fator de qualidade Q = F0RC, uma largura de banda df = 1/(PI*RC) e uma frequência de ressonância F0. No entanto, há uma diferença qualitativa significativa. Quando estamos lidando com um circuito oscilatório, a frequência em sua saída é sempre igual à frequência do sinal aplicado. Para um detector síncrono, a frequência do sinal de saída é igual à diferença entre as frequências do sinal de referência e o que está sendo detectado. O circuito oscilatório tem uma única frequência ressonante, enquanto o detector síncrono exibe máximos ressonantes em todos os harmônicos ímpares da frequência do sinal de referência. Na fig. A Figura 2 mostra a resposta de frequência de um detector síncrono com um fator de qualidade de 100. As ressonâncias são observadas na frequência zero, a frequência coincide com a frequência do sinal de referência, o triplo da frequência e todos os outros harmônicos ímpares do sinal de referência. é necessário colocar um sistema seletivo de frequência convencional na frente do detector síncrono, que suprime larguras de banda indesejadas. A terceira propriedade notável de um detector síncrono são suas características seletivas de frequência.
Se o detector síncrono operar no modo síncrono e detectar um sinal modulado, suas propriedades seletivas de frequência são exibidas para o sinal detectado. A largura de banda do detector síncrono para o sinal detectado é reduzida pela metade: df = 1/(2*PI*RC) O fator de qualidade e a largura de banda de um detector síncrono são extremamente fáceis de alterar, escolhendo os parâmetros do circuito RC. Você pode obter um fator de qualidade muito baixo e uma largura de banda ampla, e um fator de qualidade extremamente alto e uma largura de banda estreita. Por exemplo, a uma frequência de 1 MHz com uma resistência de 1 MΩ e uma capacitância de 1 μF, obtemos um fator de qualidade de 6,28 * 106 e uma largura de banda de 0,3 Hz. Tal fator de qualidade não pode ser obtido mesmo com um bom ressonador de quartzo. Enquanto isso, uma largura de banda de até 0,001 Hz é alcançável. No entanto, essa largura de banda exótica pode ser necessária apenas ao medir sinais extremamente fracos.
As propriedades seletivas de frequência de um detector síncrono podem ser significativamente melhoradas usando um filtro passa-baixa de ordem superior em vez de um circuito RC de integração. Assim, com um filtro de segunda ordem, você pode obter a mesma resposta de frequência de um filtro com dois circuitos acoplados para seleção de frequência. Um filtro de quarta ordem dará o mesmo efeito que um filtro de seleção agrupado com quatro loops. Na fig. 3 mostra um exemplo de um circuito de filtro ativo de segunda ordem que pode ser usado no lugar de uma rede de integração RC. A largura de banda desse filtro é df=1/(2*PI/RC) O detector síncrono é usado com mais frequência no modo síncrono. Para fazer isso, é necessário ter um sinal de referência síncrono. Se o detector fizer parte de algum complexo de medição fechado, geralmente não há problema em criar um sinal de referência síncrono. Dificuldades surgem ao detectar sinais que vêm de fora, por exemplo, sinais de rádio. Na televisão, a frequência portadora selecionada do sinal de imagem é usada como referência. Para recepção de transmissão, o sinal de referência pode ser organizado usando um PLL. Para resolver este problema, são produzidos circuitos integrados especializados. No modo assíncrono, a saída é um sinal de frequência de diferença. Se isso não for desejável, você pode proceder da seguinte maneira. É necessário usar dois detectores síncronos, cujos sinais de referência são deslocados em 90°. Os sinais obtidos nas saídas destes detectores devem ser elevados ao quadrado e somados. Em seguida, tire a raiz quadrada da soma resultante. O resultado é um sinal que não contém uma frequência de diferença:
É fácil implementar o circuito detector síncrono clássico usando duas chaves analógicas (Fig. 4).
Esse detector pode operar em frequências de até 1 MHz. Juntamente com os modeladores dos sinais de entrada e referência, o dispositivo acaba sendo um tanto complicado. Portanto, às vezes você pode dar preferência a uma opção mais simples de acordo com o esquema da Fig. 5.
Esse detector funciona da seguinte maneira. Suponha que a chave esteja aberta para entradas negativas e fechada para entradas positivas. Quando a chave está aberta, temos um amplificador inversor com ganho de -1, e a tensão de entrada negativa na saída do amplificador operacional torna-se positiva. Se a chave estiver fechada, o dispositivo adquire a propriedade de um repetidor. Como resultado, um sinal retificado de onda completa é obtido na saída do amplificador operacional. Em outras fases da operação da chave, obtemos todos os mesmos sinais de saída do detector síncrono de chave clássico. Esta opção possui uma velocidade bem menor em relação à anterior, podendo ser utilizada em uma frequência de até 10 kHz. O detector síncrono de chave mais rápido pode ser obtido com base em um multiplicador de sinal. Seu princípio de funcionamento é simples. Se o sinal detectado e o de referência tiverem o mesmo sinal, após a multiplicação, obtemos um sinal positivo que mantém a forma do sinal detectado. A indústria produz muitas variedades de multiplicadores de sinal. Apenas alguns deles têm a capacidade de multiplicar sinais analógicos (por exemplo, K525PS2) e, com base neles, é possível criar um circuito de um detector síncrono de chave com as propriedades de um detector clássico. A maioria dos multiplicadores de sinal é usada para a finalidade a que se destina como conversores de frequência em equipamentos de recepção de rádio (frequentemente chamados de "mixer balanceado duplo"). Também podem ser usados como detector síncrono, porém o sinal de saída é diferencial, com adição de algum componente constante, que posteriormente pode precisar ser removido. Um diagrama de uma possível variante de um detector síncrono é mostrado na Fig. . 6.
O detector opera até uma frequência de 1 MHz. Em frequências mais altas, surgem dificuldades com a formação de um sinal de referência retangular, que deve ter uma amplitude de cerca de 1 V. O resistor trimmer, na ausência de um sinal detectado, define a tensão zero na saída. A desvantagem do dispositivo é a dependência da tensão de saída da amplitude da referência. Este detector funciona como um sinal de referência síncrono e senoidal até frequências de várias centenas de megahertz, mas não será mais um detector síncrono de chave, mas um detector síncrono em um multiplicador. De fato, ao multiplicar os sinais Uccos(Ft + f) e Uccos(Ft) obtemos 1/2*U0Uc[cos(f)+cos(2Ft+f)] O segundo sinal de frequência dobrada é suprimido pelo circuito integrador na saída do detector, deixando 1/2U0Uccos(f). Qualitativamente o mesmo resultado do detector síncrono de chave, mas agora há uma dependência do valor do sinal de referência, o que não é muito bom para circuitos de medição. Literatura:
Autor: Henrique Petin
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