Синхронный детектор с удвоением напряжения

Схемотехника сентябрь 2007 №9

Приводится схема двухполупериодного синхронного детектора с удвоением напряжения, позволяющая с использованием одной микросхемы детектировать обе ортогональные компоненты гармонического сигнала.

Синхронный детектор позволяет получить информацию об амплитуде и фазе принимаемого сигнала, а также подавить сопутствующие помехи [1]. По этой причине многообразные разновидности синхронных детекторов широко применяются в современной технике. Вместе с тем, применение неудачного варианта синхронного детектора может воспрепятствовать получению ожидаемых результатов.

Прежде всего, следует предостеречь от применения однополупериодного синхронного детектора [2]. На рис 1 показана его схема.

Рис. 1

Он состоит из электронного (или механического) ключа Кл и простейшего фильтра нижних частот RC, причём роль резистора R чаще всего выполняет внутреннее сопротивление источника входного сигнала и открытого ключа.

Рис. 2

Рис. 2 иллюстрирует его работу и не требует пояснений. Изъян такого детектора проявляется при наличии во входном напряжении Е_вх, наряду с полезным сигналом, переменного напряжения с частотой, много меньшей частоты полезного сигнала (например, инфранизкочастотных шумов входного каскада).

Рис. 3

На рис. 3 изображена положительная полуволна такого напряжения.

Как видно из рисунка, напряжение помехи практически беспрепятственно проходит через однополупериодный синхронный детектор, лишая его частотной избирательности.

Рис. 4

Рис. 5

Двухполупериодный синхронный детектор осуществляет инверсию чётных или нечётных полупериодов входного сигнала [3] с их последующим суммированием. При этом не только повышается коэффициент преобразования полезного сигнала (рис. 4), но и устраняются помехи от низкочастотных (относительно сигнала) напряжений, как показано на рис. 5.

Существует множество разновидностей опубликованных схем двухполупериодных синхронных детекторов [3-5]. Как правило, это дифференциальный операционный усилитель с поочерёдной подачей полупериодов детектируемого сигнала на инвертирующий и неинвертирующий входы, осуществляемой электронными ключами. Таким образом, для детектирования одной компоненты полезного сигнала требуется микросхема операционного усилителя и микросхема аналогового ключа (или дискретные полевые транзисторы), не считая многочисленных резисторов и конденсаторов («обвязки»).

Рис. 6

Автор предлагает для использования более простую и эффективную схему двухполупериодного синхронного детектора с удвоением напряжения. Она базируется на широко известной схеме двухполупериодного диодного выпрямителя с удвоением напряжения [6], в которой выпрямительные диоды заменены электронными ключами. Несмотря на тривиальность такого схемотехнического решения (рис 6), оно не встречалось в известной автору литературе.

Рис. 7

Здесь в нечётные полупериоды полезного сигнала происходит заряд конденсатора С_посл до его амплитудного значения, а в чётные - полезный сигнал, в сумме с полученным зарядом, поступает на выход устройства На рис 7 показан пример реализации двухполупериодного синхронного детектора с удвоением напряжения, детектирующего синфазную и квадратурную компоненты полезного сигнала на одной микросхеме аналогового переключателя К561КП1 (зарубежный аналог - микросхема CD4052BC).

Коммутирующие напряжения с частотой полезного сигнала f и удвоенной частотой 2f обычно нетрудно получить с помощью синтезатора частот или микроконтроллера.

Предложенный детектор использовался в десятках магнитометров и металлодетекторов при частотах от десятков герц до десятков килогерц и хорошо себя зарекомендовал.

Юрий Реутов, Екатеринбург

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях, т. 2. - М.: Мир, 1983.
2. В. А. Богденко. Феррозондовый магнитометр с миниатюрным датчиком. Приборы и техника эксперимента, 1993, № 3, с 157-160.
3. Г. Петин. Ключевой синхронный детектор. Схемотехника, № 3,2003, с. 14-15.
4. В. С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.
5. А. И. Щедрин. Новые металлоискатели для поисков кладов и реликвий. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003.
6. А. А. Куликовский (ред.). Справочник радиолюбителя. - М.: ГЭИ, 1961.

BACK