Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Ua = (2/ n)Ue (103)
Но это есть среднее арифметическое значение синусоидального напряжения после двухполупериодного выпрямления. Этот результат можно было бы непосредственно получить из рассмотрения рис. 35. Из анализа формулы (102) видно, что в выходное напряжение вносят вклад
74
лишь те составляющие, частота которых равна частоте управляющего сигнала или является ее нечетной кратной. Но это справедливо только в том случае, когда постоянная времени фильтра нижних частот бесконечно большая. На практике такое условие не реализуется и, более того, совсем нежелательно, поскольку тогда верхняя граничная частота была бы равна нулю, и выходное напряжение не могло бы изменяться со временем. Если fe > 0, синхронный детектор отфильтровывает из входного напряжения уже не дискретные частоты, а отдельные полосы частот.
Наиболее нежелательные составляющие входного сигнала - нечётные высшие гармоники - могут быть исключены, если в качестве синхронного детектора использовать аналоговый перемножителъ. Тогда можно умножить выходное напряжение не на прямоугольную функцию S (t), а на
синусоидальную Uупр = Иупр sin cot. Поскольку эта синусоидальная функция не содержит высших гармоник, то выражение (9) имеет смысл только при n = 0. Если амплитуду управляющего напряжения выбрать равной масштабной единице Е перемножителя, то вместо формулы (9) получается следующий результат:
Согласно этой формуле, синхронный детектор определяет не ампли-
/V ^
туду Ue а действительную часть Ue • cos р комплексой амплитуды Ue.
так сдвинуть фазу управляющего напряжения, чтобы выходное напряжение синхронного детектора стало максимальным. Тогда напряжения Ue (t) и U упр (t) будут в фазе, и получаем
Если для сдвига управляющего напряжения использовать точный фазовращатель, то можно непосредственно определить фазовый сдвиг, вызываемый измеряемым объектом.
Часто интересуются лишь амплитудой определенной спектральной составляющей входного напряжения. В этом случае можно отказаться от синхронизации управляющего напряжения, если воспользоваться, как на рис.6. двумя синхронными детекторами, которые запускаются двумя
(104)
0 при fe Ф /упр
Для установления ее модуля |Ue| = Ue с помощью фазовращателя можно
(105)
75
сдвинутыми на 90' друг относительно друга управляющими напряжениями: V1(t) = Esincoynpt, V2(t) = Ecoso)ynpt
Здесь Е - масштабная единица перемножителя, используемого в качестве синхронного детектора.
Рис. 36. Схема синхронного детектора, не чувствительного к фазе
Ua = 2 Ue прИ fynp = fe ¦
В выходные напряжения обоих синхронных детекторов вносит вклад только спектральная составляющая входного напряжения с частотой fynp ¦ Она имеет фазовый сдвиг р по отношению к V1, и, следовательно
Ue = Ue sin(^ynpt + р). (106)
Согласно формуле (10) на выходах синхронных детекторов напряжения имеют
V,, = 1U, cosp (107) V4 = 1Ue sin р (108)
После квадрирования и сложения получаем не зависящее от фазы вы-
- 1 Л /—2--------------------------2— 1 Л
ходное напряжение: Ua = ^Ueylsin р + cos р = ^Ue (109)
Таким образом, схема может служить настраиваемым селективным вольтметром. Ширина его полосы всегда равна удвоенной частоте среза фильтра нижних частот. Достижимая добротность фильтра значительно выше, чем для традиционных активных фильтров. Например, достаточно просто можно фильтровать сигнал с граничной частотой 1 МГц и шириной полосы 1 Гц. Это соответствует добротности Q = 106. Если вместо фильтра нижних частот использовать интегратор, то добротность системы будет определяться постоянной интегрирования.
Синхронное детектирование сигнала целесообразно использовать совместно с режимом динамического питания приемника излучения. Электрическая схема динамического питания приемника излучения с синхронным детектированием и интегрированием сигнала представлена
76
на рис.37. Схема содержит формирователь динамического питания приёмника излучения (U1), приёмник излучения (RF1), включенный в одно из плеч балансного моста (U2), синхронный детектор (U3, J1, J2) и интегратор (U4).
R14 R1
Рис. 37 Электрическая схема динамического питания приемника излучения с синхронным детектированием и интегрированием сигнала.
Рис. 38. Зависимость отношения сигнал/шум на выходе измерительного
тракта от отношения сигнал/шум на входе измерительного тракта для трёх видов динамического
смещения: прямоугольного, синусоидального и пилообразного
На рис. 38 представлены зависимости отношения сигнал/шум на выходе измерительного тракта от отношения сигнал/шум на входе измерительного тракта, использующего динамическое питание приемника излучения с синхронным детектированием и интегрированием сигнала для различных форм динамического смещения: синусоидальной, прямоугольной и пилообразной. Из графика можно сделать вывод, что наиболее эффективным является использование прямоугольной формы динамического смещения, так как оно даёт улучшение отношения сигнал/шум по сравнению с синусоидальным в 1.3 раза, а по сравнению с пилообразным в 2 раза.
77
ЛЕКЦИЯ 10 10.1. Оптоэлектронный датчик давления
