Курсовая работа (т): Двухканальный квадратурный синхронный детектор

Двухканальный квадратурный синхронный детектор

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО КУРСУ «Наноэлектроника»

«ДВУХКАНАЛЬНЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР»

ВЫПОЛНИЛ: Гусев Олег Александрович

ГРУППА: Эр-01-12

РУКОВОДИТЕЛЬ: Качанов В.К.

Москва,2015

1. Подготовка

1.1 Структурная схема устройства

Рисунок 1.Структурная схема двухканального квадратурного синхронного детектора

Итак, искомый сигнал, предварительно усиленный поступает на перемножители 1 и 4,генератор синусоидальных колебаний 2 выдает сигнал синхронный по частоте и амплитуде с искомым на перемножитель 1 а на перемножитель 4 опорный сигнал поступает через фазовращатель 3,который дает сдвиг фазы на 90° и соответственно если на перемножитель 1 поступает синусоида то на перемножитель 3 поступит функция косинуса, далее сигналы идут на фильтры низких частот 6 и 5,где отпадет высокочастотная составляющая перемноженного сигнала и далее сигналы возводятся в квадрат с помощью квадраторов 7 и 8, складываются на сумматоре 9 и в конце происходит извлечение корня.

2. Пояснительная записка по курсовому проекту

.1 Расчет операционного усилителя LM358

Рисунок 2.Схема ОУ с инвертирующим входом

R2 = 5000 Ом ; R1=500 Ом;ОУ-LM358

На вход подан сигнал U(t)=Um*sin(wt+φ)

Известно что амплитуда Um=0.3В ; w=2pi*f,где f=100кГц

Чтобы найти сигнал на выходе нужно решить систему уравнений:

Fин(g1+g2)-Uвых*g2=Uвх*g1

Fнеин=0

Fинв=Fнеин

Uвых=-Uвх*R2/R1=-0.3В*5000/500=-3В

Амплитуда увеличивается в 10 раз и выходной сигнал U(t)=-3В*sin(wt+φ)

Рисунок 3.а) Входной сигнал. б) Выходной сигнал

.2 Расчет фазовращателя

двухканальный квадратурный синхронный детектор

В качестве опорного сигнала используем сигнал с генератора и который будет равен

Uоп(t)=U*sin(wt)

На перемножителе 3 нам нужна функция косинуса поэтому используем фазовращатель.

Рисунок 3.Схема фазовращателя

Нужно изменить фазу сигнала на 90° и для этого нужно подобрать такие параметры схемы чтобы входное сопротивление Rвх равнялось реактивному сопротивлению конденсатора.

Uоп=3В*sin(wt)

Rвх=Xc

Rвх=1кОм

Xc=1/(2п*f*C) следовательно С=1/(2п*f*Xc)=1.592 нФ

Все остальные резисторы маркировки 1625984-3 с номинальным сопротивлением 10кОм.

Изменение фазы узнаем по формуле:

Ψ=-2*arctg(2п*f*Rвх*C)=-90°

После фазовращателя опорный сигнал на перемножиель будет равен:

Uоп=3В*sin(wt-90°)=1*cos(wt)

2.3 Расчет перемножителей

В данной работе мне нужно было подобрать хороший аналоговый перемножитель, прочитав большое количество литературы я выделил для себя несколько наиболее простых способов перемножения сигналов.

)микросхема на перемножителе 525пс1

)микросхема на перемножителе 526пс1

)526пс2

)140ма1

) Схемы АП с полевыми транзисторами в качестве управляемых сопротивлений.

)Аналоговый перемножитель на основе принципа логарифматор-антилогарифматор.

Ввиду своей простоты устройства сначала я решил использовать именно 6-ой пункт.

Принцип расчета довольно прост:

Сначала искомый и опорный сигнал поступают на логарифматоры где выходные сигналы пропорциональны натуральному логарифму входных сигналов,далее сигналы суммируются в сумматоре и соответсвенно сумма натуральных логарифмов является логарифмом произведения двух сигналов.Далее сигнал идет на антилогарифматор где на выходе с помощью несложных расчетов получается произведение 2 сигналов.НО разобравшись с ним,оказалось что он работает в одном квадранте и поэтому я в дальнейшем использовал 526пс1 в котором перемножение происходит в четырех квадрантах.

Умножитель 526пс1.

Рисунок4.Упрощенная схема 526пс1

Выходное напряжение определяется формулой

U_вых = -R_н(i₁ + i₄)=-Rн(x*y*I+(1-x)(1-y)I-(1-y)xI-y(1-x)I)=-Rн*I*(2x-1)(2y-1)

Коэффициенты

x=1/2*(1+th(Ux/2φt )), y=1/2*(1+th(Uy/2φt ))вых=-Rн*I* th(Ux/2φt)* th(Uy/2φt)

Для малых уровней входных напряжений выходное напряжение пропорционально произведению входных:

Uвых=-Rн/2φt *I*Ux* Uy==-Rн/2φt *I-масштабный коэффициент

В данном случае я взял нагрузку Rн=26 кОм

φt=26мВ при T=20 градусов

соответственно

Uвых=Ux*Uy

.5 Расчет фильтров низких частот

Рисунок 5.Схема фильтра низких частот

Амплитуда сигнала у нас до сих пор меньше 6В,поэтому можем дальше использовать ОУ LM358

При подаче синусоидального сигнала,форма не меняется,но уменьшается амплитуда.

Решим систему уравнений:

Fинв(g1+g2+jwC)-Uвых(g2+jwC)=Uвх/R1

Fнеин=0

Fинв=Fнеин

Uвых=-Uвх*R2/(R1(1+jwCR2))

R1=1 кОм резистор RNF14BAE1K04

R2=1 кОм резистор RNF14BAE1K04

C=1 нФ конденсатор TSF-40C

Uвых1=3.811*cos(φ)

Uвых2=3.811*sin(φ)

.6 Расчет квадратора

Рисунок6.Схема квадратора

Схема данного квадаратора построена на умножителе 525пс1.

Квадратор устроен так, что при подаче на вход сигнала, выходной сигнал будет пропорционален квадрату входного.

Квадраторы работают с ошибками, но будем считать что он у нас уже настроен. Итак,у нас на входе:

Uвх1=3.811*cos(φ)

Uвх2=3.811*sin(φ)

На выходе будет получаться :

Uвых1=14.52*cos^2(φ)

Uвых2=14.52*sin^2(φ)

.7 Сумматор

Рисунок 7.Схема сумматора

R1=R2=R3=2кОм

ОУ LM324

Чтобы просуммировать 2 сигнала нужно решить систему уравнений:

Fинв(g1+g2+g3)-Uвх(g1)-Uвх(g2)-Uвых(g3)=0

Fнеин=0

Fинв=Fнеин

Uвх1*g1-Uвх2*g2-Uвых*g3=0

При равенстве R1=R2=R3

U=-(Uвх1+Uвх2)=- (14.52 * cos^2(φ)+ 14.52* sin^2(φ))=-14.52(cos^2(φ)+sin^2(φ))=-14.52 В

Извлечение корня.

На выходе у нас стоит схема позволяющая извлечь корень из сигнала:

Uвх=14.52 В и соответственно на выходе будет Uвых=3.811 В

Рисунок 8.Извлечение корня

В случае извлечения корня как и в случае с квадратором, схема работает не без ошибок и ее нужно настраивать. Путем надстроек можно добиться погрешности в 2%.

.8 Промежуточный вывод

Итак на входе был гармонический сигнал а на выходе благодаря двухканальной структуре сигнал стал постоянным мы избавились от проблем связанных с изменением начальной фазы сигнала и на выходе устройства сигнал пропорционален входному сигналу.

Рисунок 9. а) Входной сигнал б) Выходной сигнал

3. Дополнение к пояснительной записке по курсовому проекту

.1 Описание синхронного детектора

Перед тем как рассчитывать двухканальный квадратурный синхронный детектор я разобрался что же такое просто синхронный детектор, что он из себя представляет и зачем он нужен.

Итак, у нас есть 2 сигнала один из которых искомый сигнал, который представлен в виде U(t)=U*sin(wt+φ) а другой опорный сигнал который представлен в виде Uоп(t)=Usin(wt).

Так как детектор синхронный то у нас опорный сигнал синхронен по частоте и амплитуде с искомым.

Синхронное детектирование основано на операции умножения сигналов.

В случае, когда измеряемый и опорный сигналы синхронны, на выходе синхронного детектора присутствует постоянная составляющая. Амплитуда данной постоянной составляющей пропорциональна амплитуде входного сигнала и зависит от фазового сдвига входного сигнала относительно опорного сигнала. Т.е. в этом случае синхронный детектор работает подобно амплитудному детектору.

Синхронный детектор преобразует полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя, в постоянный сигнал. Важной особенностью синхронного детектора является возможность выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех, значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде.

При перемножении опорного и искомого сигнала у нас получаются на выходе умножителя низкочастотная и высокочастотная составляющие сигнала.

Для того чтобы не пропускать высокочастотную состаляющую,ставим фильтр низких частот(в данной работе использовал фнч на основе интегратора),и на выходе остается только низкочастотная составляющая которая в синхронном детекторе имеет постоянное значение и пропорционально только амплитуде входного сигнала.

Синхронный детектор обладает следующими свойствами, важными для обработки сигналов: - обладает чувствительностью к фазе и амплитуде измеряемого сигнала; - обладает высокой частотной избирательностью. Благодаря данным свойствам синхронное детектирование широко используется в технике связи, разнообразной измерительной аппаратуре, при проведении экспериментальных исследований. Типичным примером использования синхронного детектора является регистрация слабого сигнала от исследуемой системы на фоне шумов и помех. На систему в качестве тестового сигнала подается переменное воздействие от генератора. Слабый зашумленный отклик системы на данное воздействие усиливается и поступает на синхронный детектор. Опорным сигналом служит выход того же генератора. При необходимости компенсации фазового сдвига, возникающего в исследуемой системе, в цепь выходного сигнала системы или в цепь опорного сигнала включают фазовращатель - устройство, позволяющее регулировать фазу сигнала. Выделение сигнала из шума происходит за счет высокой частотной избирательности синхронного детектора. Может регистрироваться как амплитуда отклика, так и сдвиг фазы, возникающий в исследуемой системе. Для того, чтобы отказаться от необходимости подстройки фазового сдвига, можно воспользоваться двумя синхронными детекторами, опорные напряжения которых взаимно сдвинуты на 90°. В этом случае напряжения на выходах синхронных детекторов будут представлять собой квадратурные составляющие входного измеряемого напряжения.

.2 Применение синхронного детектора при оптимальной фильтрации сложномодулированных сигналов

При использовании сложномодулированных сигналов с последующим их сжатием во времени в оптимальном фильтре УЗ эхо-сигналы представляют собой радиоимпульс, что не всегда позволяет точно определить временное положение эхо-сигнала. По этой причине целесообразно представление результатов контроля в виде видеоимпульсов.

В традиционной дефектоскопии преобразование радиоимпульса в видеоимпульс осуществляется преимущественно с помощью амплитудного детектирования, однако условия выделения УЗ эхо-сигналов из белого шума при контроле изделий с большим затуханием сигналов, требуют использования синхронного детектирования эхо-сигнала, так как при синхронном детектировании не ухудшается отношение сигнал/шум.

Суть синхронного детектирования заключается в переносе спектра сигнала в область нулевых частот, при этом в отличие от амплитудного детектирования сохраняется информация, содержащаяся в фазе сигнала. Принцип действия синхронного детектора (СД) можно с некоторым упрощением свести к умножению входного сигнала со случайной начальной фазой  на опорное напряжение, частота которого строго совпадает (синхронна) с частотой входного сигнала , с последующей фильтрацией высокочастотных составляющих в фильтре нижних частот (ФНЧ).

После перемножения получается сигнал:

 (4)

(5)

Выражение (5) определяет работу устройства под названием «фазовый детектор»: выходное напряжение на выходе фазового детектора пропорционально входному сигналу V₁, опорному напряжению V_ОП и косинусу сдвига фазы φ₁ между входным и опорным сигналами. Для того чтобы устранить неопределенность в амплитуде эхо-сигнала, возникающую из-за неизвестной начальной фазы сигнала, используют схему двухканальной квадратурной обработки, в которой обработка сигнала с начальной фазой  ведется в двух параллельных каналах с опорными сигналами  и . После перемножения и фильтрации в каждом канале сигналы возводятся в квадрат, а затем суммируются. Выходной сигнал на выходе сумматора не зависит от начальной фазы:

Сигнал после схемы извлечения квадратного корня пропорционален входному сигналу.

Так при данном расчете на входе СД был сигнал U(t)=3*sin(wt+φ) а на выходе получилось U=3.811В

3.3 Применение синхронного детектора для выделения сигналов из узкополосной помехи

Применение СД для выделения полезного сигнала из узкополосной помехи. а) сигнал и помеха; б) опорный сигнал ω_о; в) сигнал на выходе СД

Итак у нас есть сигнал с определенной амплитудой и частотой, также на рисунке видим спектр опорного сигнала.

На более высокой частоте присутствует помеха.

На графике (в) видим спектр сигнала после перемножения, амплитуда спектра увеличилась и благодаря фильтру низких частот у нас спектр сигнала переносится в область нулевых частот и помехи на высоких частотах подавляются.

Например, помеха появляется на частоте 2МГц, на выходе синхронного детектора эта помеха, при частоте опорного сигнала 628кГц,будет на частоте 1.372МГц а граничная частота будет в любом случае меньше.

Вывод

В итоге делая данный проект я отметил, что синхронный детектор позволяет решать целый комплекс проблем, которые не могут быть решены в традиционной дефектоскопии, использующей простые немодулированные сигналы без дополнительных обработок. Итак, мы преобразуем входной радиоимпульс в видеоимпульс который позволяет оценить временное положение ультразвукового эхо-сигнала, позволяет избавиться от помех на высоких частотах.

Приложение