Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Модуляцию можно представить себе как простой сдвиг сигнала, который необходимо измерить, из области частот постоянного тока в область модулирующей частоты. Эффект длительного накопления данных сводится в этом случае к концентрированию полосы шириной Δf = 1/T на частоте fмод, а не к смещению ее в область частот постоянного тока.

Этот метод достаточно сложен для понимания. Для того чтобы разобраться с ним, необходимо уделить немного внимания фазовому детектору, который мы первоначально рассмотрели в разд. 9.27.

Фазовые детекторы. В разд. 9.27 мы описали фазовый детектор, выходное напряжение которого пропорционально разности фаз между двумя цифровыми сигналами (логическими уровнями). Для того чтобы перейти к обнаружению путем захвата, необходимо познакомиться с линейными фазовыми детекторами, так как почти всегда приходится иметь дело с аналоговыми уровнями напряжения. Основная схема представлена на рис. 15.37. Аналоговый сигнал проходит через линейный усилитель, знак коэффициента усиления которого изменяется на противоположный под воздействием прямоугольного опорного сигнала, управляющего переключателем на полевом транзисторе. Выходной сигнал проходит через RС-фильтр низких частот. Вот и все, о чем можно здесь сказать. Посмотрим, что же это нам дает.

Рис. 15.37. Фазовый детектор для линейных входных сигналов. Эта принципиальная схема использована в микросхеме AD630.

Выход фазового детектора. Для того чтобы проанализировать работу фазового детектора, допустим, что на вход подается сигнал Есcos (ωt + φ) и соответствующий ему опорный сигнал представляет собой прямоугольное колебание. В тех точках, где функция sinωt проходит через нуль, происходит изменение полярности прямоугольного колебания, т. е. в точках t = 0, π/ω, 2π/ω и т. д. Предположим далее, что мы усредняем выходной сигнал Uвых, пропуская его через фильтр низких частот, постоянная времени которого превышает величину одного периода τ = RC >> Т = 2π/ω. Тогда выход фильтра низких частот описывается следующим выражением:

где скобки  использованы для представления среднего значения, а знак «минус» объясняется тем, что в двух половинах периода сигнала Uоп коэффициент усиления имеет противоположные знаки. В качестве упражнения можете показать, что

 Упражнение 15.2. Получите выражение для коэффициента усиления, равного единице. Для нахождения средних значений выполните интегрирование.

Полученный результат позволяет сделать следующий вывод: для входного сигнала, имеющего такую же частоту, что и опорный сигнал, усредненный выходной сигнал пропорционален амплитуде Ес и синусу относительного сдвига фазы.

Прежде чем идти дальше, нам нужно получить еще один результат: каким будет выходное напряжение в случае, когда частота входного сигнала близка (но не равна) частоте опорного сигнала? Ответить на этот вопрос нетрудно, используя предыдущие выражения и приняв, что теперь величина φ есть медленно меняющаяся переменная. При частоте, слегка отличающейся от опорной (на Δω), имеем

cos(ω + Δω)t = cos(ωt + φ), φ = tΔω.

Теперь выходной сигнал представляет собой медленно меняющуюся синусоиду:

Uвых = (2Ec/π)sin(Δω)t

которая проходит через фильтр НЧ почти без изменений при условии, что Δω < 1/τ = 1/RC, и значительно ослабляется при условии, что ω < 1/τ.

Метод захвата. Теперь для увеличения чувствительности введем так называемый усилитель захвата (фазочувствительный усилитель). Сначала искусственно создадим слабый периодический сигнал, как обсуждалось выше, взяв его частоту вблизи 100 Гц. Этот слабый сигнал, засоренный шумами, усилим и продетектируем по фазе относительно сигнала модуляции.

Рассмотрим рис. 15.38.

Рис. 15.38. Обнаружение путем захвата.

Будем проводить опыт при «двойном управлении» сигналом: во-первых, должна быть быстрая модуляция, которая нужна для фазового детектирования, и, во-вторых, медленная развертка по интересующим нас параметрам сигнала (при ядерном магнитному резонансе, например, для быстрой модуляции можно использовать модуляцию магнитного поля небольшим сигналом с частотой 100 Гц, а для медленной — использовать 10-минутную развертку, охватывающую все резонансы). Фазосдвигающая цепь отрегулирована так, чтобы выходной сигнал был максимальным, а постоянная времени фильтра низких частот имеет достаточно большое значение, которое выбирается с учетом отношения сигнал/шум. Спад характеристики фильтра низких частот определяет ширину полосы пропускания, например если сопрягающая частота равна 1 Гц, то схема будет пропускать посторонние сигналы и шум, частота которых лежит в пределе 1 Гц относительно частоты исследуемого сигнала (100 ±1 Гц). Ширина полосы пропускания ограничивает также скорость медленной модуляции, так как нет смысла устанавливать для развертки более короткое время, чем время отклика фильтра. Обычно величина постоянной времени лежит в пределах от долей секунды до десятков секунд, и часто для медленной модуляции используют часовой механизм, которым управляют с помощью выведенной куда-нибудь ручки.

Обратите внимание, что обнаружение путем захвата фазы сводится к сужению полосы пропускания, причем ширину полосы пропускания устанавливает оконечный фильтр НЧ. Как и в случае с усреднением сигнала, эффект модуляции заключается в центрировании сигнала на частоте быстрой модуляции, а не на частоте постоянного тока, при этом удается устранить шумы с фактором 1/f (фликкер-шум, дрейф, дребезг и т. п.).

Два метода быстрой модуляции. Существуют два способа быстрой модуляции: в качестве модулирующего колебания можно использовать очень слабое синусоидальное колебание или очень сильное, по сравнению с искомым сигналом, прямоугольное колебание; их иллюстрирует рис. 15.39.

Рис. 15.39. Методы модуляции при захвате, а — малый синусоидальный сигнал модуляции; б — большой прямоугольный сигнал модуляции.

В первом случае выходной сигнал фазового детектора пропорционален наклону сигнала (т. е. его производной), а во втором случае — сигналу (при условии, что нет других спектральных линий, связанных с модулирующим колебанием). По этой причине все эти простые резонансные кривые, наблюдаемые при ядерном магнитном резонансе, выглядят как дисперсионные кривые (рис. 15.40).

Рис. 15.40. Дифференцирование сигнала при обнаружении путем захвата.

При модуляции прямоугольным колебанием с большим фазовым сдвигом существует хороший метод подавления сигнала прямого прохождения, применяемый в тех случаях, когда это явление создает трудности в работе. На рис. 15.41 показано модулирующее колебание. Сдвиги выше и ниже центрального значения уничтожают сигнал и создают модуляцию типа «включен/выключен» на удвоенной частоте по отношению к основной несущей. Этот метод предназначен для специальных случаев и не следует прибегать к нему ради красоты.

Рис. 15.41. Схема модуляции для подавления сигнала прямого прохождения.

Модуляцию с прямоугольными колебаниями большой амплитуды очень часто используют в инфракрасной астрономии, где для переключения изображения инфракрасного источника приводят в движение вторичные зеркала телескопа. Этот метод популярен также в радиоастрономии и известен здесь под названием переключений Дикке.

Промышленные усилители с захватом имеют источники модулирующих колебаний с перестраиваемой частотой, следящий фильтр, оконечный фильтр с коммутируемой постоянной времени, высококачественный усилитель с низким уровнем шума и широким динамическим диапазоном (если бы шум не имел значения, то не нужно было бы и использовать обнаружение с захватом), а также линейный фазовый детектор с хорошими характеристиками. Кроме того, они допускают возможность использования внешнего источника модуляции. С помощью ручки можно регулировать фазовый сдвиг, следовательно имеется возможность максимально увеличить обнаруженный сигнал. Весь прибор заключают в красивый корпус, на котором имеется шкала для считывания выходного сигнала. Обычно цена этих приборов составляет несколько тысяч долларов. Их производят такие фирмы, как EG&G Princeton Applied Research, Ithaco и Stanford Research Systems. Бортовые компоненты среди прочих производит фирма Evans Electronics. Для того чтобы наглядно продемонстрировать возможности метода захвата фазы, мы обычно показываем студентам такой эксперимент. Мы используем захват фазы для выделения модулированного сигнала от небольшого светодиода, подобного тем, которые используют для индикации на панелях приборов. Частота модуляции имеет порядок несколько килогерц. Ток очень мал, и свечение диода при нормальном комнатном освещении можно заметить с трудом. На расстоянии около 2 м установлен фототранзистор, направленный в сторону светодиода, а его выход подается на схему захвата фазы.