23084

Синхронний детектор

Лабораторная работа

Физика

Якщо потенціал на вході такого детектора вище деякого рівня обумовленого відмиканням діода то цей сигнал накопичується на виході як правило на конденсаторі фільтра і таким чином фіксується. 7 Тоді коефіцієнт передачі детектора визначений як відношення амплітуди вихідної напруги до амплітуди вхідної напруги дорівнює: . 8 Таким чином частотна характеристика детектора з гармонійною модуляцією мал. Частотна характеристика детектора з гармонійною модуляцією Рис.

Украинкский

2013-08-04

294.5 KB

10 чел.

10

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

ПРАКТИКУМ “ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ”

5

Синхронний детектор

КИЇВ 2001


Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

  1.  Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.
  2.  Дослідження характеристик фоторезистора.
  3.  Дослідження характеристик фотодіода.
  4.  Електрометричний вимірювач струму.
  5.  Синхронний детектор.
  6.  Метод лічби одноелектронних імпульсів.
  7.  Вимірювання форми імпульсу випромінювання.
  8.  Реєстрація спектрів пропускання.
  9.  Реєстрація спектрів випромінювання.
  10.  Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.
  11.  Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.
  12.  Методи модуляційної спектроскопії.
  13.  Мікрофотометри.

  1.  Терміни та визначення
  2.  Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.
  3.  Опис спектрофотометра СФ-5

Синхронне детектування інформаційних сигналів застосовується в переважній більшості сучасних модуляційних методів обробки оптичної (і не тільки оптичної) інформації. У даній роботі Ви познайомитеся з конструкцією і характеристиками підсилювача змінної напруги із синхронним детектуванням, довідаєтеся про особливості вимірів, що супроводжують цей метод.

Теоретична частина.

Звичайні діодні детектори, відомі Вам, наприклад, з радіомовних приймачів, виділяють низькочастотну складову несучої частоти, орієнтуючись лише на одну ознаку сигналу, що надходить на детектор, а саме, його амплітуду. Якщо потенціал на вході такого детектора вище деякого рівня, обумовленого відмиканням діода, то цей сигнал накопичується на виході (як правило, на конденсаторі фільтра) і, таким чином, фіксується. При цьому, на жаль, відбувається реєстрація всякого роду завад і шумів, що супроводжують сигнал.

Однак у корисного сигналу завжди є ще одна інформаційна характеристика, а саме, момент його появи, чи, як говорять, фаза сигналу. Амплітуда і фаза найбільш повно описують корисний сигнал, а детектор, що реагує на обидва цих фактори, називають фазовим, або синхронним детектором. З цього погляду подібний детектор є ідеальним, тому що дозволяє відокремити очікуваний у визначений момент часу корисний сигнал від випадкових завад і шумів, і тим ефективніше, чим довше триває вимірювання. (Подібна ситуація складається при багаторазовому вимірюванні штангенциркулем довжини якого-небудь предмета з наступним обчисленням середнього значення: чим більше зроблено вимірів, тим ближче обчислене середнє до дійсного значення довжини). Особливо актуальним метод синхронного детектування стає тоді, коли корисний сигнал  має амплітуду меншу амплітуди завад і шумів. У цьому випадку вимірювання іншим методом стає практично неможливим...

Основний принцип методу синхронного детектування заснований на множенні вимірюваного сигналу на інший сигнал, називаний опорним.

Нехай маємо лінійну ланку, коефіцієнт передачі якої P(t) змінюється періодично з періодом T і частотою (0 = 2/T). Таку ланку називають параметричною. Якщо на вхід такої ланки (мал.1) подати напругу U1, то на виході: U2=P(t)U1. P(t), у загальному випадку, можна представити у вигляді ряду Фур'є:

,   (1)

де P0, Pn (1) і Pn (2) - коефіцієнти розкладання:

,

,

Якщо вхідна напруга - гармонічна, тобто

,   (2)

та вихідна напруга дорівнює:

  (3)

Амплітуда всіх гармонік на виході параметричної ланки пропорційна амплітуді вхідного сигналу.

Уключимо на виході параметричної ланки фільтр нижніх частот (мал.2) із граничною частотою пропускання   0 (б). Крім того, створимо параметричну ланку так, щоб для  частот, що відповідають смузі пропускання фільтра нижніх частот (ФНЧ), він мав коефіцієнт передачі, рівний нулю. Тоді на виході ФНЧ напруга дорівнює:

,  (4)

де KF - коефіцієнт передачі ФНЧ.

Рівняння (3) описує роботу будь-яких параметричних перетворювачів частоти. Рівняння (4), що відповідає наявності фільтра нижніх частот, відноситься лише до детекторів.

Розглянемо детектор з гармонійною модуляцією коефіцієнта передачі, тобто

.   (5)

Тоді:

.   (6)

Фільтр нижніх частот візьмемо у вигляді RC-ланки з постійною часу :

 .   (7)

Тоді коефіцієнт передачі детектора, визначений як відношення амплітуди вихідної напруги до амплітуди вхідної напруги, дорівнює:

.   (8)

Таким чином, частотна характеристика детектора з гармонійною модуляцією (мал.3), представлена рівнянням (8), має максимум для частоти  = 0 (F = 0):

,   (9)

а

U3 = A0U01 .  (10)

Рис.3. Частотна характеристика детектора з гармонійною модуляцією
Рис.4. До питання про введення шумової смуги пропускання.

Отже, для того, щоб мати на виході детектора сигнал постійного струму, треба, щоб частота сигналу дорівнювала частоті модуляції 0. Тому такий детектор називають синхронним. А через залежність коефіцієнта передачі A0 від фазового зсуву такий детектор іноді називають фазовим.

Для одержання максимального коефіцієнта передачі необхідно, зсуваючи фазу сигналу відносно фази модуляції, домогтися = 0 (чи = ).

Основна перевага синхронного детектора перед несинхронним - здатність поліпшувати відношення сигнал/шум на виході відносно входу незалежно від рівня сигналу. Відношення сигнал/шум на вході:

.   (11)

Знайдемо середньоквадратичне значення шуму на виході детектора:

,   (12)

де W(f) - спектральна густина шуму на вході детектора. Звичайно af –є достатньо велике лише у вузькому інтервалі частот, близьких до 0 :

.   (13)

Для F  0 af = 0 і тому нижню межу інтегрування  можна взяти  -:

.   (14)

Уведемо, так називану, шумову смугу пропускання F так, щоб площі під кривої AF2 (мал.4) і прямокутника з висотою, рівною максимальному значенню функції af2 у точці  f = f0 , були однаковими. Тоді:

.   (15)

Звідки:

.   (16)

Для нашого випадку   і тоді, з огляду на (14), одержимо;

.   (17)

Звідси випливає, що шумова смуга пропускання синхронного детектора залежить лише від постійної часу фільтра нижніх частот. Порівнюючи (10) і (14), знаходимо відношення сигнал/шум на виході:

.   (18)

Таким чином, out детектора визначається його інерційністю, амплітудою вхідного сигналу і спектральною густиною шуму на робочій частоті.

Якщо на виході СД діє, так званий, "білий шум", спектральна густина якого однакова для всіх частот, то напруга шуму пропорційна  кореню квадратному із шумової смуги пропускання. Тому поліпшення відношення сигнал/шум , яке здійснюється СД, подається коренем квадратним з відношення шумової смуги вхідного сигналу і шумової смуги вихідного фільтра:

.   (19)

Наприклад, шум діє в смузі частот Fin = 100 кГц, а синхронного детектора складає 10 с. Тоді: = ( Fin / Fout )1/2 = ( 105·2·10)1/2 = 1,4·103 або 63 дБ. Тобто, у цих умовах відношення сигнал/шум може бути поліпшене на виході детектора в 1400 разів або на 63 дБ (N [дБ] = 20lg Uout/Uin).

На відміну від гармонійної модуляції практично більш просто здійснити ключовий режим роботи параметричної ланки (мал.5). Тобто

Рис.5. Ключовий режим роботи параметричної ланки.

Рис.6. Частотна характеристика ключового синхронного детектора

протягом частини періоду P(t) = 1, а протягом частини, що залишилася -P(t) = 0. Наприклад, включений стан триває Т/2, а виключене також Т/2. У цьому випадку:

У такий спосіб: P1(2) = 2/, Р2(2) = 0, Р3(2) = 2/3, Р4(2) = 0, Р5(2) = 2/5, і т.д., коефіцієнт передачі СД для F  0 (мал.6) містить максимум не тільки для = 0, а і для всіх непарних гармонік частоти 0. Амплітуда їх спадає пропорційно номеру гармоніки. Тому що найбільш великим є коефіцієнт P1(2) , то зручно взяти і = 0 і тоді фазова характеристика має вигляд (мал.7):

А0 = cos  /  = 1/.  (20)

Рис.7. Фазова характеристика синхронного детектора.

Вихідний сигнал при цьому максимальний і дорівнює U3  U01/. Частотну і фазову характеристики СД легко проілюструвати епюрами напруги, що діє на вході і виході параметричної ланки (мал.8,9).

Як випливає з мал.6 рівень шумів на виході ключового СД визначається не тільки основною смугою (як у гармонійного СД), а й побічними. Вважаючи, що спектральна густина шуму в області  побічних смуг пропускання така ж,

Рис.8. Вид сигналу в параметричній ланці для різних частот сигналу.

Рис.9. Вид сигналу в параметричній ланці для різних значень фази сигналу.

як і в основній, виходячи з (14) одержимо:

;   (21)

;   (22)

.   (23)

Таким чином, побічні смуги пропускання ключового СД погіршують відношення сигнал/шум при реєстрації гармонійного сигналу усього на 10%. Однак, стабільність коефіцієнта передачі при ключовому режимі виходить набагато кращою, ніж при гармонійній модуляції параметричної ланки.

На закінчення перелічимо випадки, коли синхронний детектор є найбільш придатним реєстратором при роботі з фотоприймачами:

1) приймач випромінювання має сильну низькочастотну шумову складову чи великий рівень темнового струму, величина якого сильно залежить від температури (деякі ФЕП, германієві фотодіоди, фоторезистори, термоелектричні приймачі);

2) умови реєстрації такі, що має місце сильне стороннє засвічування фотоприймача;

3) модуляційна спектроскопія (електровідбиття, термовідбиття, електропоглинання і т.п.), коли реєструється перша похідна або похідні більш високих порядків відповідних характеристик досліджуваних об'єктів;

4) величина шумів фотоприймача залежить від рівня освітленості (наприклад, при вимірюваннях граничних потоків випромінювання для ФЕП: iN (ia)1/2 ).

Експериментальна установка.

Містить імітатор сигналів синхронного детектора на базі генератора гармонійних коливань типу ГЗ-34. У нього додатково убудований формувач опорної напруги (вихід "СТРОБ"), що являє собою підсилювач-обмежувач, який  перетворює гармонійний сигнал у прямокутний зі скважністю 2. У положенні перемикача "ЗГ" (див. лицьову панель генератора) прямокутний сигнал формується з вихідної напруги генератора. У положенні  "50 Гц" - із мережної напруги. Останнє використовується лише при вимірі частотної характеристики синхронного детектора.

У комплект приладів (крім власне синхронного детектора) входять: генератор  ГЗ-34, індукційний фазообертач, мультиметр ВР-11, цифровий вольтметр У7-21, частотомір Ф-5043,  вольтметр ефективних значень Ф-576, осцилограф С1-83, генератор білого шуму, самописний потенціометр типу КСП-4.

Блок-схема і схема принципова електрична синхронного детектора представлені на мал.10. Тут же зображена лицьова панель синхронного детектора з органами керування. Вимірюваний сигнал подається на роз’єм "ВХІД" синхронного детектора і далі через роздільний конденсатор на атенюатор (послаблювач). Перемикач "ЧУТЛИВІСТЬ" атенюатора дозволяє сходинково через 10 дБ послабляти вхідний сигнал, підбираючи, таким чином, найкращий режим реєстрації. Перемикач прокалібрований в ефективних значеннях вхідної синусоїдальної когерентної напруги, що дає повне відхилення стрілки вихідного приладу. Двокаскадний  транзисторний підсилювач, що іде за атенюатором, має коефіцієнт підсилення по напрузі порядку 50. Як параметрична ланка використовується транзисторний ключ, керований прямокутними імпульсами формувача, керованого, у свою чергу, опорним сигналом, поданим на роз’єм "СТРОБ". Після ключа іде фільтр нижніх частот, перемикач якого "Т, сек." дозволяє шляхом зміни конденсатора змінювати шумову смугу пропускання синхронного детектора. Навантаженням фільтра є стрілочний прилад. Вихідний сигнал синхронного детектора можна також фіксувати зовнішнім приладом (цифровий вольтметр, самописний потенціометр і т.п.), що підключається до роз’єму "ВИХІД" і розташованим на задній панелі СД. На задній панелі також є багатоконтактний роз’єм, виводи якого з'єднані з контрольними точками схеми синхронного детектора. Номера гнізд цього роз’єму і відповідні їм точки позначені на принциповій схемі в колах.

Завдання

Перед початком роботи вивчіть принципову схему і конструкцію синхронного детектора, використовуваного в роботі, а також технічний опис електронної апаратури, застосовуваної для вимірів. Перед початком вимірів спробуйте спрогнозувати свої дії. При необхідності, частіше радьтеся з викладачем чи лаборантом.

1. Вимірити і побудувати амплітудну характеристику СД - залежність амплітуди вихідної напруги СД від ефективного значення вхідної напруги. Оцініть відхилення від лінійності, що спостерігається, .

Корисні поради:

*для проведення вимірів зберіть схему мал.11; для одержання максимальної точності користайтеся цифровими вольтметрами.

2. Вимірити і побудувати фазову характеристику СД - залежність амплітуди вихідної напруги СД від зсуву фаз між вхідною напругою ("ВХІД") і опорною напругою ("СТРОБ").

Мал.11. Схема вимірів амплітудної характеристики СД: 1-генератор ГЗ-34, 2-мультиметр ВР-11, 3-синхронний детектор, 4-вольтметр В7-21, 5-осциллограф С1-83.

Корисні поради:

* зберіть схему мал.12;

* для виміру зрушення фаз у роботі використаний індукційний фазообертач, зсув фази якого не впливає на амплітуду сигналу лише для фіксованих частот зазначених на лицьовій панелі фазообертача біля відповідного перемикача;

* калібрування шкали фазообертача здійснюється обертанням його лімба  щодо ручки фазового зсуву до суміщення потрібної позначки лімба з рискою на лицьовій панелі (калібрування рекомендується робити для зсуву фаз 90° ) .

Мал.12. Схема вимірів фазової характеристики СД: 1-генератор ГЗ-34, 2-фазообертач, 3-синхронний детектор, 4-вольтметр В7-21, 5-осциллограф С1-83.

3. Вимірити і побудувати частотну характеристику СД - залежність вихідної напруги СД від частоти вхідного ("ВХІД") сигналу при  постійній частоті опорного ("СТРОБ") сигналу.

Корисні поради:

* зберіть схему мал.13;

* установіть перемикач "СТРОБ" генератора в  положення - "50 Гц";

* рівень вихідної напруги СД фіксуйте по максимальному відхиленню стрілки вихідного індикатора;

* вимір частоти здійснюйте за допомогою частотоміра з інтервалом 0,5 Гц;

* вимір форми частотної  характеристики  зробіть для двох постійних часу (0,3 і 1 с) фільтра нижніх частот СД поблизу першої гармоніки. Для 2-й, 3-й, 4-й і 5-й гармонік зафіксуйте лише її максимальне значення, зберігаючи при цьому незмінною амплітуду вхідного сигналу.

Мал.13. Схема вимірів частотної характеристики СД: 1-генератор ГЗ-34, 2-синхронний детектор, 3-частотомір Ф-5043, 4-осцилограф С1-83.

За отриманою формою частотної характеристики визначите істине значення постійної часу СД (для відповідного положення перемикача) і номінальне значення ємності конденсатора фільтра нижніх частот.

4. Визначити покращання відношення сигнал/шум на виході СД для заданої постійної часі фільтра нижніх частот. Вивчити залежність рівня шуму на виході СД від постійної часу. Оцінити динамічний резерв і динамічний діапазон досліджуваного синхронного детектора.

Корисні поради:

* зберіть схему мал.14;

* як джерело сигналу використовуйте генератор білого шуму;

* діюче значення шуму на вході СД вимірюйте вольтметром ефективних значень, а на виході СД - по запису шумової доріжки на стрічці самописного потенціометра (ефективне значення шуму приблизно дорівнює 1/6 ширини найбільш щільної частини шумової доріжки). Порівняєте показання вольтметра ефективних значень з амплітудою шумової доріжки на екрані осцилографа.

Мал.14. Схема вимірів покращання відношення сигнал/шум СД: 1-генератор білого шуму, 2-генератор ГЗ-34, 3-синхронний детектор, 4-вольтметр ефективних значень Ф-586, 5-осциллограф С1-83, 6-самописний потенціометр КСП-4.

5. Вивчити  за допомогою осцилографа форму сигналів у параметричній ланці СД при вимірах відповідних характеристик і замалювати їх.

Корисні поради:

як сигнал синхронізації використовуйте керуючу напругу ключа (А6), яку зручно спостерігати в каналі 1 осцилографа.

Література.

1. Бонч-Бруевич  A.M.  Радиоэлектроника в экспериментальной физике.-М.: Наука.-1966.-С.505-525.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая  схемотехника.-М.:Мир.-1982.

3. Суббота-Мельник П.А.,  Скирда А.С. Демодулятор с динамическим резервом 80 дБ.-Вестник Киевского университета, N 20, сер."Физика", 1979, с.61-67.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53859. Простые методы оценки эффективности инвестиционных проектов 30.5 KB
  Под методом оценки эффективности инвестиционных проектов понимается система способов и приемов сопоставления связанных с проектом результатов и затрат. Применение метода позволяет сформировать количественный показатель
53860. Критический объем продаж - понятие, методы расчета 26.5 KB
  Метод критического объема продаж, в приложении к оценке и достижению приемлемого уровня левериджа заключается в определении для каждой конкретной ситуации объема выпуска, обеспечивающего безубыточную деятельность.
53861. АСПЕКТИ ЗАСТОСУВАННЯ КРАЄЗНАВЧОГО МАТЕРІАЛУ В ШКІЛЬНІЙ ГЕОГРАФІЇ 86.5 KB
  Багатоаспектність навчальновиховного процесу вимагає постійних резервів щодо застосування краєзнавчого матеріалу у комплексному розвитку особистості школяра. Адже актуальність питання про використання краєзнавчого матеріалу на уроках географії визначається перш за все вдосконаленням системи національної освіти зокрема обумовленістю таких стратегічних цілей системи як національна спрямованість освіти її невіддільність від національного ґрунту органічне поєднання з національною історією і традиціями відтворення у...
53862. Краса у праці і в природі 261.5 KB
  Складання твору Перші сніжинки. Вирізування сніжинки. Обладнання: Загадка про сніжинку; картини зими; витинанки сніжинок; технологічна карта виготовлення сніжинки; музичний запис П. Якої форми розміру бувають сніжинки Якого кольору На що схожі Гарні зірочки фантастичні квіти.
53863. МАТЕМАТИКА. ГАРМОНІЯ, КРАСА 212.5 KB
  Мета: Розвивати пізнавальну та інформаційну компетентності компетентність продуктивної творчої діяльності. Слайд 3 Епіграф: Подібно до того як всі мистецтва тяжіють до музики всі науки прагнуть до математики. Слайд 4 Памятка для учнів: Цінуй набуті знання часнаполегливість уважність; Продемонструй грамотність у виконанні поставлених завдань; Сприймай зацікавлено вдумливо; Не бійся помилятися; Повір у свої сили Май гарний настрій ...
53864. Тематический литературно-музыкальный вечер посвященный героям краснодонцам 72.5 KB
  С первых же дней оккупации фашисты начали вводить в городе «новый порядок». Зверские расправы м насилия над мирными жителями, угон молодежи на каторжные работы, грабежи, расстрелы за малейшее неповиновение. Жизнь стала невыносимой.
53865. Мій рідний край 74 KB
  Дати уявлення про мапу географічне положення Чернігівської області на мапі України. Я не помилилася По яких містах України ви подорожували Чернігів Київ Ніжин Львів А хто бував в інших державах В яких саме Росія Білорусія Туреччина Єгипет А вас там радо зустрічали Так Зізнайтеся чи хотілося вам додому Так А чому як ви думаєте Ми сумували за друзями за рідними за домівкою А як називається рідна земля Батьківщина. Що таке екскурсія Як називається людина яка проводить екскурсію Екскурсовод З...
53866. Наш край у 60 - 90-х pp. XX - на початку XXI ст 91.5 KB
  Мій дідусь Оніщенко Костянтин Іванович народився 4 квітня 1925 року в місті Полонне Хмельницької області. Воював у Великій Вітчизняній війні з березня 1943 року до червня 1945 року в Радянських Збройних Силах. В армії Південно – Західного фронту з червня до жовтня 1943 року на посаді кулеметника.
53867. Люби і знай свій рідний край 69 KB
  Підготовчий етап У чому полягає задум дізнатися якомога більше про звичаї та обряди свого села народні промисли і народних умільців свого краю; дослідити краєзнавчий матеріал; Для чого це потрібно виховувати любов до рідного краю народу його звичаїв та обрядів. Планування діяльності Зібрати матеріал про народні промисли свого краю. Від батьків дідусів бабусь довідатись про звичаї і традиції свого краю.