键同步检测器。方案、说明

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键控同步检波器的工作原理如图 1 所示。一。

键同步检测器
图。 1

该器件具有差分输入。两个相等的检测信号被反相馈送到高速电子开关。为了简单起见，在图中1 个开关显示为机械开关。我们假设它是理想的，即开关立即发生并且其在闭合状态下的电阻为零。开关的操作由信号控制，通常称为参考信号。让参考信号控制开关的操作，使其动触点始终连接到当前具有正电压的输入。如果参考信号与被检测信号同步，则这是可能的，这就是该检测器被称为同步检测器的原因。为了明确起见，引入检测信号和参考信号之间相移角 j 的概念是有用的，在这种情况下 j = 0。在开关的输出处，我们获得形状与全信号一致的信号。波整流信号。此外，该信号通过积分 RC 电路，平滑整流电压的纹波。在链的输出端，电压将等于 2 / PI * Uc。

校正的发生没有非线性元件的参与。在这里，我们发现了同步检测器的第一个显着特性 - 在检测到的信号的任何幅度下进行线性检测的能力。这使得它对众多应用极具吸引力。不幸的是，并不总是能够实现同步参考信号。

如果参考信号的相位改变 180°，则输出电压将改变极性，因为开关只会通过输入电压的负半波。如果相移等于 90°，则开关将同时通过正半波和负半波，如图 1 所示。 2. 在积分链的输出处，信号将为零。对具有任意相移的器件电路的分析得出这样的结论：在这种情况下积分电路输出处的信号等于XNUMX/PI*Uccos(f)。同步检波器的第二个显着特性是其相位特性。它可以用作相位检测器。

让我们考虑一下这种相位检测器的应用之一。如果除了输出信号 2/PI*Uccos(f) 的同步检测器之外，我们再使用一个相同的检测器，其参考信号的相位另外偏移 90°，则在该附加检测器的输出将等于 2/PI*Ucsin (f)。结果，可以分离信号的有功分量和无功分量。

接下来，考虑同步检测器在异步模式下的操作。令 Fc 为检测信号的频率，F0 为参考信号的频率，则这些信号之间的相移将等于 j = (Fc - F0)t。结果，同步检波器的输出不是恒定的，而是差频的交流电压。然而，该电压是在积分 RC 电路的输出处获得的，随着差频的增加，电压幅度的幅度减小。同步检波器输出端的电压总值由以下表达式确定

该信号幅度的频率依赖性与品质因数 Q = F0RC、带宽 df = 1/(PI*RC) 和谐振频率 F0 的传统振荡电路相同。然而，存在显着的质的差异。当我们处理振荡电路时，其输出的频率始终等于所施加信号的频率。对于同步检测器，输出信号的频率等于参考信号的频率与被检测信号的频率之间的差。振荡电路具有单一谐振频率，而同步检测器在参考信号频率的所有奇次谐波处表现出谐振最大值。

上图。图 2 显示了品质因数为 100 的同步检波器的频率响应。在零频率、与参考信号频率一致的频率、三倍频率以及参考信号的所有奇次谐波下观察到谐振。有必要在同步检测器前面放置一个传统的频率选择系统，以抑制不需要的带宽。同步检波器的第三个显着特性是其频率选择特性。

键同步检测器
图。 2

如果同步检测器在同步模式下工作并检测调制信号，则其频率选择性特性针对检测到的信号表现出来。检测到的信号的同步检测器的带宽减半：

df = 1/(2*PI*RC)

通过选择 RC 链的参数，可以非常轻松地改变同步检波器的品质因数和带宽。您可以获得非常低的品质因数和宽带宽，以及极高的品质因数和窄带宽。例如，在频率为 1 MHz、电阻为 1 MΩ、电容为 1 μF 时，我们得到的品质因数为 6,28 * 106，带宽为 0,3 Hz。即使使用好的石英谐振器也无法获得这样的品质因数。同时，甚至可以实现 0,001 Hz 的带宽。然而，只有在测量极弱的信号时才可能需要如此奇特的带宽。

键同步检测器
图。 3

通过使用高阶低通滤波器代替积分 RC 电路，可以显着改善同步检波器的频率选择特性。因此，使用二阶滤波器，您可以获得与使用具有两个耦合电路的滤波器进行频率选择时相同的频率响应。四阶滤波器将提供与具有四个环路的集总选择滤波器相同的效果。上图。图3示出了可以用来代替RC积分网络的二阶有源滤波器电路的示例。

这种滤波器的带宽是

df=1/(2*PI/RC)

同步检测器最常用于同步模式。为此，需要有一个同步参考信号。如果探测器是某些封闭测量复合体的一部分，那么创建同步参考信号通常不会有问题。当检测来自外部的信号（例如无线电信号）时会出现困难。在电视中，所选择的图像信号的载波频率被用作参考。对于广播接收，可以使用PLL来安排参考信号。为了解决这个问题，专门的集成电路被生产出来。

在异步模式下，输出是差频信号。如果您不希望这样做，那么您可以按照以下步骤进行操作。需要使用两个同步检波器，其参考信号偏移90°。在这些检测器的输出处获得的信号必须进行平方并相加。然后取所得总和的平方根。结果是一个不包含差频的信号：

使用两个模拟开关很容易实现经典的同步检测器电路（图4）。

键同步检测器
图。 4

这种检测器可以在高达 1 MHz 的频率下工作。加上输入和参考信号的整形器，该设备显得有些笨重。因此，有时您可以根据图 5 中的方案优先选择更简单的选项。 XNUMX.

键同步检测器
图。 5

这种检测器的工作原理如下。假设开关对于负输入打开，对于正输入关闭。当开关打开时，我们有一个增益为-1的反相放大器，运算放大器输出端的负输入电压变为正。如果钥匙关闭，则设备获得中继器的属性。结果，在运算放大器的输出处获得全波整流信号。在按键操作的其他阶段，我们获得与经典按键同步检测器中相同的输出信号。与前一个选项相比，该选项的速度要低得多，但可以在高达 10 kHz 的频率下使用。

基于信号乘法器可以获得最快的键同步检测器。其工作原理很简单。如果检测到的信号和参考信号具有相同的符号，则相乘后我们获得保留检测到的信号形状的正信号。业界生产了很多品种的信号乘法器。只有其中一些具有倍增模拟信号的能力（例如，K525PS2），并且在此基础上可以创建具有经典电路特性的关键同步检测器电路。大多数信号乘法器都用作无线电接收设备中的频率转换器（通常称为“双平衡混频器”）。它们也可以用作同步检测器，但是，输出信号是差分的，并添加了一些常数分量，稍后可能需要将其删除。同步检测器的可能变体的图如图6所示。 XNUMX.

键同步检测器
图。 6

检测器的工作频率高达 1 MHz。在较高频率下，形成矩形参考信号会出现困难，该信号的幅度应约为 1 V。在没有检测到信号的情况下，微调电阻器会将输出电压设置为零。该器件的缺点是输出电压依赖于参考电压的幅度。

该检波器作为同步检波器工作，其正弦参考信号的频率高达数百兆赫兹，但它将不再是关键的同步检波器，而是乘法器上的同步检波器。事实上，当信号相乘时

Uccos(Ft + f) 和 Uccos(Ft) 我们得到

1/2*U0Uc[cos(f)+cos(2Ft+f)]

第二倍频信号被检测器输出端的积分电路抑制，留下

1/2U0Uccos(f)。

定性上与关键同步检测器中的结果相同，但现在依赖于参考信号的值，这对于测量电路来说不是很好。

文学:

J.马克斯。物理测量中信号处理的方法和技术。 - 莫斯科，Mir，1983 年，第 2 卷，第 5 页21-XNUMX。
V.S. 古特尼科夫。运算放大器在测量技术中的使用。 - 莫斯科，能源，1975 年，第 78 页79. XNUMX.

作者：亨利·佩廷

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