キー同期検出器。スキーム、説明

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キー同期検出器。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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キー同期検出器の動作原理を図1に示します。 XNUMX。

キー同期検波器
図。 1

このデバイスには差動入力があります。 1 つの等しい検出信号が逆位相で高速電子スイッチに供給されます。簡単にするために、図では0 つのスイッチは機械式として示されています。これが理想的である、つまり、スイッチングが瞬時に発生し、閉状態での抵抗がゼロであると仮定します。スイッチの動作は、一般に基準と呼ばれる信号によって制御されます。基準信号によってスイッチの動作を制御し、スイッチの可動接点が現在正の電圧を持つ入力に常に接続されるようにします。これは、基準信号が検出対象の信号と同期している場合に可能です。そのため、この検出器は同期型と呼ばれます。明確にするために、検出信号と基準信号の間の位相シフト角 j の概念を導入すると便利です。この場合、j = 2 です。スイッチの出力では、完全な信号と形状が一致する信号が得られます。波整流された信号。さらに、この信号は積分 RC 回路を通過し、整流された電圧のリップルが平滑化されます。チェーンの出力では、電圧は XNUMX / PI * Uc に等しくなります。

整流は非線形要素の関与なしで行われました。ここで、同期検出器の最初の注目すべき特性、つまり検出信号の任意の振幅で線形検出する能力がわかります。このため、多くのアプリケーションにとって非常に魅力的です。残念ながら、同期基準信号を常に実装できるとは限りません。

基準信号の位相が 180°変化すると、スイッチは入力電圧の負の半波のみを通過させるため、出力電圧の極性が変わります。位相シフトが 90° の場合、図に示すように、スイッチは正と負の両方の半波を通過します。 1. 積分チェーンの出力では、信号はゼロになります。任意の位相シフトを伴うデバイス回路の解析により、この場合の積分回路の出力の信号は 2/PI*Uccos(f) に等しいという結論に達します。同期検波器の XNUMX 番目の注目すべき特性は、その位相特性です。位相検出器として機能します。

このような位相検出器のアプリケーションの 2 つを考えてみましょう。信号 90/PI*Uccos(f) を出力するこの同期検出器に加えて、基準信号の位相がさらに 2° シフトされた同じ検出器をもう XNUMX つ使用すると、次の信号が得られます。この追加の検出器の出力は XNUMX/PI*Ucsin (f) に等しくなります。その結果、信号の有効成分と無効成分を分離することが可能になります。

次に、非同期モードでの同期検波器の動作を考えます。検出信号の周波数を Fc、基準信号の周波数を F0 とすると、これらの信号間の位相シフトは j = (Fc - F0)t に等しくなります。その結果、同期検波器の出力は一定ではなく、差周波の交流電圧となります。ただし、この電圧は積分 RC 回路の出力で得られるため、差周波が増加するにつれて電圧振幅の大きさは減少します。同期検波器の出力における電圧の合計値は、次の式で求められます。

この信号の振幅の周波数依存性は、品質係数 Q = F0RC、帯域幅 df = 1/(PI*RC)、共振周波数 F0 をもつ従来の発振回路の周波数依存性と同じです。ただし、質的には大きな違いがあります。発振回路を扱う場合、その出力の周波数は常に印加信号の周波数と等しくなります。同期検波器の場合、出力信号の周波数は、基準信号の周波数と検出される信号の周波数の差に等しくなります。発振回路は単一の共振周波数を持ちますが、同期検波器は基準信号周波数のすべての奇数高調波で共振最大値を示します。

図上。図 2 は、品質係数 100 の同期検波器の周波数応答を示しています。共振はゼロ周波数、基準信号の周波数と一致する周波数、その XNUMX 倍の周波数、および基準信号のさらにすべての奇数高調波で観察されます。従来の周波数選択システムを同期検波器の前に配置する必要があり、これにより不要な帯域幅が抑制されます。同期検波器の XNUMX 番目の注目すべき特性は、周波数選択特性です。

キー同期検波器
図。 2

同期検波器が同期モードで動作し、変調信号を検出すると、その周波数選択特性が検出信号に対して示されます。検出された信号の同期検出器の帯域幅は半分になります。

自由度 = 1/(2*PI*RC)

同期検波器の品質係数と帯域幅は、RC チェーンのパラメータを選択することで非常に簡単に変更できます。非常に低い品質係数と広い帯域幅、または非常に高い品質係数と狭い帯域幅の両方を得ることができます。たとえば、周波数が 1 MHz、抵抗が 1 MΩ、静電容量が 1 μF の場合、品質係数は 6,28 * 106、帯域幅は 0,3 Hz になります。このような品質係数は、たとえ優れた水晶振動子であっても得られません。一方、0,001 Hzの帯域幅も実現可能です。ただし、このような特殊な帯域幅が必要になるのは、非常に弱い信号を測定する場合のみです。

キー同期検波器
図。 3

同期検波器の周波数選択特性は、積分 RC 回路の代わりに高次のローパスフィルターを使用することで大幅に改善できます。したがって、3 次フィルタを使用すると、周波数選択に XNUMX つの結合回路を備えたフィルタを使用した場合と同じ周波数応答を得ることができます。 XNUMX 次フィルターは、XNUMX つのループを持つ集中選択フィルターと同じ効果を与えます。図上。図３は、ＲＣ積分ネットワークの代わりに使用できる二次アクティブフィルタ回路の例を示す。

このようなフィルタの帯域幅は

df=1/(2*PI/RC)

同期検出器は、同期モードで最もよく使用されます。これを行うには、同期基準信号が必要です。検出器が閉鎖された測定複合体の一部である場合、通常は同期基準信号の作成に問題はありません。無線信号など、外部から到来する信号を検出する際には困難が生じます。テレビでは、選択された画像信号の搬送周波数が基準として使用されます。放送受信の場合、PLL を使用して基準信号を調整できます。この問題を解決するために、特殊な集積回路が製造されます。

非同期モードでは、出力は差周波信号です。これが望ましくない場合は、次のように続行できます。基準信号が 90°シフトされた XNUMX つの同期検波器を使用する必要があります。これらの検出器の出力で得られた信号は二乗して加算する必要があります。次に、結果の合計の平方根を計算します。結果は、差周波数を含まない信号になります。

4 つのアナログスイッチを使用すると、古典的な同期検波回路を簡単に実装できます (図 XNUMX)。

キー同期検波器
図。 4

このような検出器は、最大 1 MHz の周波数で動作できます。入力信号と基準信号のシェイパーと合わせて、このデバイスはやや扱いにくいことがわかります。したがって、場合によっては、図のスキームに従って、より単純なオプションを優先することができます。 5.

キー同期検波器
図。 5

このような検出器は次のように動作します。スイッチが負の入力に対して開き、正の入力に対して閉じていると仮定します。スイッチが開いているとき、ゲインが -1 の反転アンプがあり、オペアンプの出力の負の入力電圧が正になります。キーが閉じられている場合、デバイスはリピーターのプロパティを取得します。その結果、オペアンプの出力には全波整流された信号が得られます。キー操作の他の段階では、古典的なキー同期検出器とすべて同じ出力信号が得られます。このオプションは前のオプションと比べて速度が大幅に遅くなりますが、最大 10 kHz の周波数で使用できます。

最速のキー同期検出器は、信号乗算器に基づいて取得できます。その動作原理は簡単です。検出信号と参照信号が同じ符号を持つ場合、乗算後、検出信号の形状を保持する正の信号が得られます。業界では、さまざまな種類の信号乗算器が製造されています。それらの一部のみがアナログ信号を乗算する機能を備えており (K525PS2 など)、それらに基づいて、古典的なものの特性を持つキー同期検出器の回路を作成することが可能です。ほとんどの信号乗算器は、無線受信装置の周波数変換器として本来の目的に使用されます (そこでは「ダブルバランスミキサー」と呼ばれることがよくあります)。これらは同期検出器としても使用できますが、出力信号は差動であり、何らかの定数成分が追加されており、後で除去する必要がある場合があります。同期検出器の考えられる変形例の図を図に示します。 6.

キー同期検波器
図。 6

検出器は最大 1 MHz の周波数まで動作します。より高い周波数では、約 1 V の振幅を持つ必要がある方形の基準信号の形成に問題が生じます。信号が検出されない場合、トリマー抵抗は出力の電圧をゼロに設定します。このデバイスの欠点は、出力電圧がリファレンスの振幅に依存することです。

この検出器は、数百メガヘルツの周波数までの正弦波基準信号を使用して同期として機能しますが、キー同期検出器ではなく、乗算器の同期検出器になります。実際、信号を乗算するときは、

Uccos（Ft + f）とUccos（Ft）が得られます

1/2 * U0Uc [cos（f）+ cos（2Ft + f）]

XNUMX 番目の XNUMX 倍の周波数信号は、検出器の出力の積分回路によって抑制され、

1/2U0Uccos(f)。

定性的にはキー同期検波器の場合と同じ結果ですが、基準信号の値に依存するため、回路の測定にはあまり適していません。

文学:

J.マックス物理測定における信号処理の方法と技術。 - モスクワ、ミール、1983 年、v. 2、p. 5-21。
VS グトニコフ。測定技術におけるオペアンプの使用。 - モスクワ、エネルギー、1975 年、p. 78. 79.

作者: ヘンリー・ペタン

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