Лекція 9. Модулятори та демодулятои сигналів

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 6

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

ПЛАН

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

9.1. Модулятори сигналів

9.2. Демодулятори сигналів

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

9.1. Модулятори сигналів

Якщо вимірювальний сигнал змінюється в часі за таким законом, при якому ускладнена його передача чи перетворення, то виникає необхідність модуляції, тобто утворення нового модульованого сигналу із заданим законом зміни (частотним спектром). Процес модуляції полягає в передачі інформації від вимірювального (модулюючого) сигналу до несучого. Несучим є деякий допоміжний сигнал, який має зручні для реалізації наступних операцій фізичну природу і закон зміни в часі. В ролі несучого найчастіше використовують синусоїдні або імпульсні сигнали. При використанні гармонічного несучого сигналу можливі три види модуляції: амплітудна, частотна і фазова. При імпульсному несучому сигналі можна змінювати такі параметри: амплітуду, частоту, фазу або тривалість імпульсів. При цьому мають, відповідно, амплітудно-імпульсну, частотно-імпульсну, фазо-імпульсну та час-імпульсну модуляції.

Демодуляція – це перетворення промодульованого сигналу на сигнал, пропорційний вимірювальному (модулюючому).

У вимірювальній техніці найширше застосовують амплітудно-імпульсну модуляцію (демодуляцію) із схемною реалізацією на елементах ключового типу.

Залежно від способу ввімкнення ключового елемента (ключа) відносно наступного вимірювального перетворювача з вхідним опором R_н бувають модулятори послідовного, паралельного та послідовно-паралельного типів (рис.9.1). Вибір тієї чи іншої схеми здійснюється залежно від співвідношення опорів джерела сигналу R_с i R_н. При R_н>>R_c застосовують схему, подану на рис. 9.1, а), а при R_н<<R_с - на рис.9.1,б). Якщо значення опорів R_н і R_с сумірні, то застосовують схему, подану на рис.9.1,в).

Рис. 9.1. Основні принципіальні схеми модуляторів

За інших рівних умов мінімальне значення похибки модуляції мають схеми з максимальним значенням перехідного опору R ключів у розімкненому стані і мінімальними значеннями перехідного опору r і залишкових (паразитних) напруг у замкненому стані.

Залежно від потрібних метрологічних характеристик при побудові модуляторів використовують ті чи інші ключові елементи. Практично застосовують електромеханічні (контактні) або безконтактні ключі. В останніх використовують біполярні і польові транзистори, діоди, оптоелектронні та ємнісні елементи.

Модулятори з електромеханічними ключами виконують з використанням віброперетворювачів або реле з магнітокерованими контактами. Такі ключі за своїми характеристиками наближаються до ідеальних. У них r<0,1 Ом, a R>10¹⁰ Ом. Залишкові напруги і їх нестабільності, які зумовлені в основному електричними і електромаг-нітними наведеннями, а також контактними термо-ЕРС, не перевищують одиниць мікровольт на градус. Основним недоліком контактних модуляторів є порівняно малий їх строк служби.

Модулятори з транзисторними ключами не мають цього недоліку, проте мають більшу нестабільність залишкових напруг. Для зменшення впливу цих нестабільностей застосовують спеціальні схеми компенсації з використанням польових транзисторів і транзисторів у інтегральному виконанні. Ці заходи дають змогу зменшити значення нестабільності залишкових напруг до кількох мікровольт на градус.

Застосування в схемах модуляторів напівпровідникових діодів як ключових елементів дає змогу будувати порівняно нескладні діодні модулятори. Для зменшення похибок таких модуляторів їх ключі треба виконувати на кремнієвих діодах за компенсаційними схемами. При вдало підібраній парі діодів нестабільність залишкових напруг становить 15–20 мкВ/°С.

Рис. 9.2. Принципова схема модулятора на варикапах

Рис. 9.3. Схеми напівпровідникових випрямних перетворювачів середнього значення

Модулятори на оптоелектронних елементах будують також за схемами, наведеними на рис.9.1, у яких як ключі використовують фоторезистори. Істотною перевагою таких модуляторів порівняно з іншими безконтактними є відсутність гальванічних зв'язків між колами модулюючого і несучого сигналів. Нестабільність залишкових напруг модуляторів на оптоелектронних елементах становить десятки мікровольт на градус.

Модулятори на ємнісних елементах побудовані на основі динамічного конденсатора. В цьому випадку модулююча напруга підводиться до обкладинок конденсатора, ємність якого змінюється періодично внаслідок коливань однієї з пластин під дією електромаг-нітного поля котушки збудження. Заряд конденсатора пропорційний модулюючому сигналу і залишається постійним, а напруга на ньому змінюється в такт із зміною ємності, тобто за законом зміни несучого сигналу. Високий поріг чутливості модуляторів з динамічним конденсатором (10^-47-10^-15А) досягають забезпеченням великого вхідного опору (10¹⁷ Ом).

Крім розглянутих ключових модуляторів є модулятори, виконані на варикапах. Схему такого модулятора подано на рис. 9.2. Особливістю таких схем є те, що їх коефіцієнт перетворення є більшим від одиниці. Подібні модулятори відомі під назвою параметричних. При вдало підібраних варикапах вдається побудувати модулятор з порогом чутливості до десятків мікровольт.

9.2. Демодулятори

Демодулятори – це пристрої перетворення попередньо промоду-льованого сигналу на сигнал, пропорційний модулюючому. Як і модулятори, демодулятори є амплітудні, частотні й фазові. Амплітудні демодулятори називають випрямлячами (випрямними перетворюва-чами) амплітудного значення. Випрямлячі застосовують для демодуляції і при дослідженні сигналів змінного струму.

Постійна складова вихідного сигналу випрямного перетворювача може бути функцією як амплітудного, так і середнього або діючого значень вхідного сигналу. Відповідно існують випрямлячі середнього і діючого значень. Майже всі види випрямлячів побудовані із застосуванням нелінійних (випрямних) елементів, значення параметрів яких залежать від значення та знака вхідного сигналу. Як випрямні елементи переважно використовують напівпровідникові діоди, що мають високу надійність і тривалий строк служби. Недоліком цих елементів є залежність їх параметрів від температури і частоти вхідного сигналу. В значній мірі цих недоліків позбавлені електровакуумні діоди.

Випрямлячі середнього значення можна побудувати за одно- або двопівперіодною схемами. Найпростіша схема однопівперіодного випрямляча (рис.9.3,а) має той істотний недолік, що вона придатна лише для випрямлення напруг, а при випрямленні струмів різка зміна опору діода при різних полярностях спричинюється до порушення режиму роботи кола. Вільною від цього недоліку є схема на рис.9.3,б.

У вимірювальних випрямлячах середнього значення з однопівпе-ріодним випрямленням стала складова вихідного сигналу за період синусоїдної вхідної напруги (рис.9.3, в) при лінійній вольтамперній характеристиці і відсутності зворотного струму діода:

(9.1)

де U_m, U_ср – амплітудне і середньовипрямлене значення вхідної напруги;

R_пр – прямий опір діода.

У випрямлячах з двопівперіодним випрямленням (рис.15.14,г) вихідний струм протягом кожного півперіоду зміни вхідної величини проходить у тому самому напрямку через R_н i, отже, за інших рівних умов чутливість таких випрямлячів у два рази вища, ніж у однопівперіодних. Їх недоліком є наявність чотирьох діодів. У зв'язку із значною залежністю параметрів діодів від температури таким перетворювачам властиві великі температурні похибки. Випрямлячі із заміщуючими опорами (рис.9.3, д і е) мають нижчу чутливість, але їх температурні похибки менші.

Принцип роботи амплітудних випрямлячів (рис.9.4) полягає в застосуванні методу “запам’ятовування” екстремальних значень вхідного сигналу. Запам’ятовуючим елементом у таких перетворювачах є конденсатор. У схеми з відкритим входом (рис.9.4,a) при додатній півхвилі вхідної напруги конденсатор заряджається через діод до напруги U_с U_m, а з моменту t₁ (рис.9.4,б) розряджається через R_н доти, доки миттєве значення вхідного сигналу не стане дещо більшим від U_с і конденсатор знову підзарядиться до U_с U_m. Якщо стала часу розряду CR_н>>Т, де T – період вхідної напруги U_x, то U_c буде практично незмінним і дорівнюватиме U_m.

У схемах із закритим входом (рис.9.4,г) при наявності сталої складової вхідної напруги U₀ конденсатор С заряджатиметься до напруги U_c=U₀+U_m, а спад напруги на опорі R_a буде U_x-U_c=U_msin -U_m, тобто незалежний від значення U₀ і містить змінну з амплітудою U_m і сталу – U_m складові. Змінну складову можна відфільтрувати фільтром R_фС_ф, а спад напруги на опорі R_н при R_н>>R_ф дорівнюватиме U_m (рис. 9.4,д).

У випрямлячах діючого значення використовують початкові ділянки вольт-амперних характеристик напівпровідникових діодів, які близькі до квадратичних. Оскільки ці ділянки обмежені низькими напругами (до 1 В), то для залежності і₀=kU² при більш високих напругах утворюють штучні кола з кількома відповідно з'єднаними діодами і додатковими та шунтуючими опорами.

Рис. 9.4. Схеми діодних випрямлячів максимального значення і графіки струмів та напруги

Якщо вхідна напруга містить сталу складову, то вихідна напруга дорівнюватиме U_m (рис.9.4,в).

Рис. 9.5. Принципіальна схема і графіки випрямленого струму керованого випрямляча

Рис. 9.6. Схеми напівпровідникових керованих випрямлячів

Розглянуті схеми випрямлячів відомі під назвою некерованих, на відміну від керованих, у яких робота випрямного кола керується зовнішнім сигналом.

Рис. 9.7. Принципіальна схема активного випрямляча

Такі перетворювачі мають два входи: на один з них подають досліджувану U_х, а на другий – керуючу напругу (рис.9.5). При додатній півхвилі керуючої напруги ключ замикається (його опір дорівнює нулю) і через випрямне коло проходитиме струм, а при від’ємній півхвилі – він розмикається, тобто його опір буде нескінченно великий і струму в колі не буде. При умові, що вхідні сигнали є синусоїдними функціями часу однієї частоти, наприклад:

(9.2)

(9.3)

середнє значення випрямленого струму буде:

(9.4)

Отже, значення вихідного сигналу залежатиме не лише від U_x, а й від кута зсуву фаз між досліджуваною і керуючою напругами.

Практичне застосування мають два типи керованих випрямлячів: електромеханічний і напівпровідниковий.

Кола з електромеханічними керованими випрямлячами застосо-вують у векторметрах – приладах для вимірювання складових векторів напруги або струму. Наявність механічних рухомих контактів обмежує частотний діапазон (не більше 400 Гц) і довговічність. Цього недоліку не мають напівпровідникові фазочутливі випрямні кола.

Для пояснення принципу роботи найпростішого однопівперіодного фазочутливого випрямляча (рис.9.6.,а) припустимо, що спочатку прикладено лише напругу U_к. При додатній півхвилі цієї напруги діоди відкриваються, їх опори будуть малі і через них проходитимуть струми і_к. При від’ємній півхвилі керуючої напруги U_к діоди закриваються, а їх опори стають великі. Якщо схема симетрична, то при будь-якому значенні і полярності керуючої напруги спади напруг на опорах R будуть однаковими, а напруга між точками Л і В дорівнюватиме нулю – через опір R_н струм не проходитиме.

Якщо прикладена напруга U_х значно менша від U_к, то можна вважати, що опір діодів залежить лише від значення і напрямку керуючої напруги і не залежить від напруги U_х, а середнє значення струму через R_н – від U_х і кута зсуву фаз між напругами U_х та U_к.

Найбільше практичне застосування знайшли двопівперіодні фазочутливі випрямлячі (рис.9.6, б і в), чутливість яких за інших рівних умов у два рази вища від чутливості однопівперіодних. Фазочутливі випрямлячі виконують як на електронних лампах, так і на транзисторах. Керування можна здійснювати зміною фази напруги на сітці (базі) відносно анода (колектора).

Фазочутливі напівпровідникові випрямлячі застосовують як нуль-індикатори в мостових і компенсаційних колах змінного струму.

Крім пасивних випрямлячів, описаних вище, існують активні (рис.9.7), які мають у своєму складі підсилювачі постійного струму (ППС) і в яких введенням зворотних зв'язків значно зменшені похибки перетворення змінної напруги в сталу. Зокрема, якщо коефіцієнт підсилення ППС дорівнює S, то вплив нестабільності параметрів діодів зменшується майже в 5 разів.

Запитання

1. У чому полягає процес модуляції сигналів?
2. У чому полягає процес демодуляції сигналів?
3. Навести основні принципіальні схеми модуляторів?
4. Які ключові елементи використовуються при побудові модуляторів?
5. Які недоліки модуляторів з електромеханічними ключами?
6. Навести принципову схему модулятора на варикапах?
7. Навести схеми напівпровідникових випрямних перетворю-вачів середнього значення.
8. Як поділяються демодулятори?
9. Як будуються випрямлячі середнього значення?
10. Як визначається середній струм у випрямлячах середнього значення?
11. Який принцип роботи амплітудних випрямлячів?
12. Навести графіки випрямленого струму керованого випрямляча.
13. Навести схеми напівпровідникових керованих випрямлячів.