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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schlüsselsynchroner Detektor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Das Funktionsprinzip des Key-Synchron-Detektors ist in Abb. eines.
Das Gerät verfügt über einen Differenzeingang. Zwei gleiche erkannte Signale werden gegenphasig an einen elektronischen Hochgeschwindigkeitsschalter angelegt. Der Einfachheit halber ist in Abb. 1 Schalter wird als mechanisch dargestellt. Wir gehen davon aus, dass es ideal ist, d. h. das Schalten erfolgt sofort und sein Widerstand im geschlossenen Zustand ist Null. Der Betrieb des Schalters wird durch ein Signal gesteuert, das üblicherweise als Referenz bezeichnet wird. Lassen Sie das Referenzsignal den Betrieb des Schalters so steuern, dass sein beweglicher Kontakt immer mit dem Eingang verbunden ist, an dem gerade eine positive Spannung anliegt. Dies ist möglich, wenn das Referenzsignal mit dem erkannten synchronisiert ist, weshalb dieser Detektor als synchron bezeichnet wird. Aus Gründen der Eindeutigkeit ist es nützlich, das Konzept des Phasenverschiebungswinkels j zwischen dem erfassten und dem Referenzsignal einzuführen, in diesem Fall j = 0. Am Ausgang des Schalters erhalten wir ein Signal, dessen Form mit der Vollwelle identisch ist gleichgerichtetes Signal. Dieses Signal durchläuft dann eine integrierende RC-Schaltung, die die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung glättet. Am Ausgang der Kette beträgt die Spannung 2/PI*Uc. Die Begradigung erfolgte ohne Beteiligung nichtlinearer Elemente. Hier entdecken wir die erste bemerkenswerte Eigenschaft eines synchronen Detektors – die Fähigkeit, bei jeder Amplitude des erkannten Signals linear zu erkennen. Dies macht es für zahlreiche Anwendungen äußerst attraktiv. Leider ist es nicht immer möglich, ein synchrones Referenzsignal zu implementieren. Wenn die Phase des Referenzsignals um 180° geändert wird, ändert sich die Polarität der Ausgangsspannung, da der Schalter nur die negativen Halbwellen der Eingangsspannung durchlässt. Wenn die Phasenverschiebung 90° beträgt, lässt der Schalter sowohl positive als auch negative Halbwellen durch, wie in Abb. 1. Am Ausgang der Integrationskette ist das Signal Null. Die Analyse der Geräteschaltung mit einer beliebigen Phasenverschiebung führt zu dem Schluss, dass am Ausgang der Integrierkette in diesem Fall das Signal gleich 2/PI*Uccos(f) ist. Die zweite bemerkenswerte Eigenschaft eines Synchrondetektors sind seine Phaseneigenschaften. Es kann als Phasendetektor arbeiten. Betrachten wir eine der Anwendungen eines solchen Phasendetektors. Wenn wir zusätzlich zu diesem synchronen Detektor, der das Ausgangssignal 2/PI*Uccos(f) erzeugt, einen weiteren ähnlichen Detektor verwenden, dessen Phase des Referenzsignals zusätzlich um 90° verschoben ist, dann am Ausgang dieses Bei Verwendung eines zusätzlichen Detektors beträgt das Signal 2/PI*Ucsin (f). Dadurch wird es möglich, die aktiven und reaktiven Komponenten des Signals zu trennen. Als nächstes betrachten wir den Betrieb eines synchronen Detektors im asynchronen Modus. Sei Fc die Frequenz des erkannten Signals und F0 die Frequenz des Referenzsignals. Dann beträgt die Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen j = (Fc - F0)t. Infolgedessen erzeugt der Ausgang des Synchrondetektors keine konstante, sondern eine Wechselspannung mit einer Differenzfrequenz. Diese Spannung entsteht jedoch am Ausgang einer integrierenden RC-Schaltung, die mit zunehmender Differenzfrequenz die Spannungsamplitude verringert. Der Gesamtspannungswert am Ausgang des Synchrondetektors wird durch den Ausdruck bestimmt
Die Frequenzabhängigkeit der Amplitude dieses Signals ist die gleiche wie bei einem herkömmlichen Schwingkreis mit Gütefaktor Q = F0RC, Bandbreite df = 1/(PI*RC) und Resonanzfrequenz F0. Es gibt jedoch einen erheblichen qualitativen Unterschied. Wenn es sich um einen Schwingkreis handelt, ist die Frequenz an seinem Ausgang immer gleich der Frequenz des angelegten Signals. Bei einem Synchrondetektor ist die Frequenz des Ausgangssignals gleich der Differenz zwischen den Frequenzen des Referenzsignals und des erfassten Signals. Der Schwingkreis hat eine einzige Resonanzfrequenz und der Synchrondetektor weist Resonanzmaxima bei allen ungeraden Harmonischen der Referenzsignalfrequenz auf. In Abb. Abbildung 2 zeigt den Frequenzgang eines Synchrondetektors mit einem Qualitätsfaktor von 100. Resonanzen werden bei der Frequenz Null, einer Frequenz, die mit der Frequenz des Referenzsignals übereinstimmt, dem Dreifachen der Frequenz und bei allen weiteren ungeraden Harmonischen des Referenzsignals beobachtet. Diese Mehrfrequenz erschwert die Verwendung eines Synchrondetektors. Um diesen Nachteil zu vermeiden, muss vor dem Synchrondetektor ein herkömmliches frequenzselektives System installiert werden, das unerwünschte Durchlassbereiche unterdrückt. Die dritte bemerkenswerte Eigenschaft eines Synchrondetektors sind seine frequenzselektiven Eigenschaften.
Wenn ein Synchrondetektor im Synchronmodus arbeitet und ein moduliertes Signal erkennt, treten seine frequenzselektiven Eigenschaften für das erkannte Signal in Erscheinung. Die Bandbreite des Synchrondetektors für das detektierte Signal wird halbiert: df = 1/(2*PI*RC) Der Qualitätsfaktor und die Bandbreite eines synchronen Detektors lassen sich äußerst einfach durch Auswahl der Parameter der RC-Kette ändern. Sie können entweder einen sehr niedrigen Qualitätsfaktor und eine große Bandbreite oder einen extrem hohen Qualitätsfaktor und eine schmale Bandbreite erhalten. Beispielsweise erhalten wir bei einer Frequenz von 1 MHz mit einem Widerstand von 1 MΩ und einer Kapazität von 1 μF einen Gütefaktor von 6,28 * 106 und eine Bandbreite von 0,3 Hz. Eine solche Güte kann selbst mit einem guten Quarzresonator nicht erreicht werden. Mittlerweile ist sogar eine Bandbreite von 0,001 Hz erreichbar. Ein solches exotisches Band ist jedoch möglicherweise nur erforderlich, wenn extrem schwache Signale gemessen werden.
Die frequenzselektiven Eigenschaften eines Synchrondetektors können durch die Verwendung eines Tiefpassfilters höherer Ordnung anstelle einer integrierenden RC-Schaltung deutlich verbessert werden. Somit können Sie mit einem Filter zweiter Ordnung den gleichen Frequenzgang erzielen wie mit einem Filter mit zwei verbundenen Schaltkreisen zur Frequenzauswahl. Ein Filter vierter Ordnung erzeugt den gleichen Effekt wie ein Filter mit konzentrierter Auswahl und vier Schleifen. In Abb. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer aktiven Filterschaltung zweiter Ordnung, die anstelle einer integrierenden RC-Schaltung verwendet werden kann. Die Bandbreite eines solchen Filters beträgt df=1/(2*PI/RC) Der Synchrondetektor wird am häufigsten im Synchronmodus verwendet. Dazu benötigen Sie ein synchrones Referenzsignal. Wenn der Detektor Teil eines geschlossenen Messkomplexes ist, ist die Erzeugung eines synchronen Referenzsignals in der Regel kein Problem. Bei der Erkennung von Signalen, die von außen kommen, beispielsweise Funksignalen, treten Schwierigkeiten auf. Beim Fernsehen wird eine eigene Frequenz des Bildträgersignals als Referenzfrequenz verwendet. Für den Rundfunkempfang kann das Referenzsignal mithilfe eines PLL-Systems organisiert werden. Um dieses Problem zu lösen, werden spezielle integrierte Schaltkreise hergestellt. Im asynchronen Modus erzeugt der Ausgang ein Differenzfrequenzsignal. Wenn dies unerwünscht ist, können Sie Folgendes tun. Es müssen zwei synchrone Detektoren verwendet werden, deren Referenzsignale um 90° verschoben sind. Die an den Ausgängen dieser Detektoren erhaltenen Signale müssen quadriert und addiert werden. Ziehen Sie dann die Quadratwurzel aus dem resultierenden Betrag. Das Ergebnis ist ein Signal, das die Differenzfrequenz nicht enthält:
Die klassische Synchrondetektorschaltung lässt sich einfach mit zwei analogen Schaltern realisieren (Abb. 4).
Ein solcher Detektor kann bei Frequenzen bis zu 1 MHz arbeiten. In Kombination mit den Eingangs- und Referenzsignalformern erweist sich das Gerät als etwas umständlich. Daher können Sie manchmal einer einfacheren Option gemäß dem Diagramm in Abb. den Vorzug geben. 5.
Dieser Detektor funktioniert wie folgt. Nehmen wir an, dass der Schalter für negative Eingangssignale geöffnet und für positive geschlossen ist. Wenn der Schalter geöffnet ist, erhalten wir einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von -1 und die negative Eingangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers wird positiv. Wird der Schlüssel geschlossen, erhält das Gerät die Eigenschaft eines Repeaters. Dadurch erhalten wir am Ausgang des Operationsverstärkers ein vollweggleichgerichtetes Signal. In anderen Phasen der Tastenbetätigung erhalten wir die gleichen Ausgangssignale wie bei einem klassischen Tastensynchrondetektor. Diese Option weist im Vergleich zur vorherigen eine deutlich geringere Leistung auf und kann bei Frequenzen bis zu 10 kHz eingesetzt werden. Der schnellste Schlüsselsynchrondetektor kann auf der Grundlage eines Signalmultiplikators erhalten werden. Sein Funktionsprinzip ist einfach. Wenn das erkannte Signal und das Referenzsignal das gleiche Vorzeichen haben, erhalten wir nach der Multiplikation ein positives Signal, das die Form des erkannten Signals beibehält. Die Industrie produziert viele Arten von Signalvervielfachern. Nur einige von ihnen verfügen über die Fähigkeit, analoge Signale zu multiplizieren (z. B. K525PS2), und auf ihrer Grundlage ist es möglich, eine wichtige Synchrondetektorschaltung mit den Eigenschaften einer klassischen zu erstellen. Die meisten Signalvervielfacher werden bestimmungsgemäß als Frequenzumsetzer in Funkempfangsgeräten verwendet (oft als „doppelt symmetrischer Mischer“ bezeichnet). Sie können auch als synchrone Detektoren verwendet werden, das Ausgangssignal ist jedoch differenziell und enthält zusätzlich eine konstante Komponente, die möglicherweise in Zukunft entfernt werden muss. Ein Diagramm einer möglichen Version eines Synchrondetektors ist in Abb. dargestellt. 6.
Der Detektor arbeitet bis zu einer Frequenz von 1 MHz. Bei höheren Frequenzen treten Schwierigkeiten bei der Bildung eines rechteckigen Referenzsignals auf, das eine Amplitude von etwa 1 V haben sollte. Bei fehlendem erkanntem Signal setzt ein Trimmwiderstand die Ausgangsspannung auf Null. Der Nachteil des Geräts ist die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Amplitude der Referenz. Dieser Detektor arbeitet als Synchrondetektor und mit einem sinusförmigen Referenzsignal bis zu Frequenzen von mehreren hundert Megahertz, es handelt sich jedoch nicht mehr um einen Schlüsselsynchrondetektor, sondern um einen Synchrondetektor auf einem Multiplizierer. Tatsächlich, wenn Signale multipliziert werden Uccos(Ft + f) und Uccos(Ft) erhalten wir 1/2*U0Uc[cos(f)+cos(2Ft+f)] Das zweite Signal mit der doppelten Frequenz wird durch die Integrierkette am Ausgang des Detektors unterdrückt und verbleibt 1/2U0Uccos(w). Qualitativ das gleiche Ergebnis wie beim Key-Synchron-Detektor, allerdings besteht nun eine Abhängigkeit von der Größe des Referenzsignals, was für Messschaltungen nicht sehr gut ist. Literatur:
Autor: Henry Petin
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