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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Detector de llave síncrono. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado El principio de funcionamiento del detector síncrono clave se ilustra en la Fig. una.
El dispositivo tiene una entrada diferencial. Dos señales detectadas iguales se aplican en antifase a un interruptor electrónico de alta velocidad. Por simplicidad, en la Fig. 1 interruptor se muestra como mecánico. Supondremos que es ideal, es decir, la conmutación se produce instantáneamente y su resistencia en estado cerrado es cero. El funcionamiento del interruptor está controlado por una señal, generalmente llamada referencia. Deje que la señal de referencia controle el funcionamiento del interruptor de modo que su contacto móvil esté siempre conectado a la entrada en la que existe actualmente un voltaje positivo. Esto es posible si la señal de referencia está sincronizada con la detectada, por eso a este detector se le llama síncrono. Para mayor precisión, es útil introducir el concepto de ángulo de desplazamiento de fase j entre la señal detectada y la de referencia, en este caso j = 0. En la salida del interruptor obtenemos una señal que tiene una forma idéntica a la de onda completa. señal rectificada. Esta señal pasa luego a través de un circuito RC integrador, que suaviza las ondulaciones del voltaje rectificado. A la salida de la cadena, el voltaje será igual a 2/PI*Uc. El enderezamiento se produjo sin la participación de elementos no lineales. Aquí descubrimos la primera propiedad notable de un detector síncrono: la capacidad de detectar linealmente en cualquier amplitud de la señal detectada. Esto lo hace extremadamente atractivo para numerosas aplicaciones. Desafortunadamente, no siempre es posible implementar una señal de referencia síncrona. Si la fase de la señal de referencia se cambia 180°, el voltaje de salida cambiará de polaridad, ya que el interruptor solo dejará pasar las medias ondas negativas del voltaje de entrada. Si el cambio de fase es de 90°, entonces el interruptor pasará medias ondas positivas y negativas, como se puede ver en la figura. 1. A la salida de la cadena integradora, la señal será cero. El análisis del circuito del dispositivo con un cambio de fase arbitrario lleva a la conclusión de que en la salida del circuito integrador en este caso la señal es igual a 2/PI*Uccos(f). La segunda propiedad destacable de un detector síncrono son sus propiedades de fase. Puede funcionar como detector de fase. Consideremos una de las aplicaciones de dicho detector de fase. Si además de este detector síncrono, que produce la señal de salida 2/PI*Uccos(f), utilizamos otro detector similar cuya fase de la señal de referencia está desplazada adicionalmente 90°, entonces en la salida de este detector adicional la señal será igual a 2/PI*Ucsin (f). Como resultado, es posible separar los componentes activos y reactivos de la señal. A continuación, consideraremos el funcionamiento de un detector síncrono en modo asíncrono. Sea Fc la frecuencia de la señal detectada, F0 la frecuencia de la señal de referencia, entonces el desplazamiento de fase entre estas señales será igual a j = (Fc - F0)t. Como resultado, la salida del detector síncrono produce no una tensión constante, sino una tensión alterna de frecuencia diferente. Sin embargo, este voltaje se obtiene a la salida de un circuito RC integrador, que reduce la amplitud del voltaje al aumentar la diferencia de frecuencia. El valor de voltaje total en la salida del detector síncrono está determinado por la expresión
La dependencia de la frecuencia de la amplitud de esta señal es la misma que la de un circuito oscilatorio convencional con factor de calidad Q = F0RC, ancho de banda df = 1/(PI*RC) y frecuencia de resonancia F0. Sin embargo, existe una diferencia cualitativa significativa. Cuando se trata de un circuito oscilante, la frecuencia en su salida es siempre igual a la frecuencia de la señal aplicada. Para un detector síncrono, la frecuencia de la señal de salida es igual a la diferencia entre las frecuencias de la señal de referencia y la detectada. El circuito oscilatorio tiene una única frecuencia resonante y el detector síncrono exhibe máximos resonantes en todos los armónicos impares de la frecuencia de la señal de referencia. En la Fig. La Figura 2 muestra la respuesta de frecuencia de un detector síncrono con un factor de calidad de 100. Las resonancias se observan a frecuencia cero, una frecuencia que coincide con la frecuencia de la señal de referencia, el triple de la frecuencia y en todos los demás armónicos impares de la señal de referencia. Esta multifrecuencia dificulta el uso de un detector síncrono, y para evitar este inconveniente, delante del detector síncrono es necesario instalar un sistema convencional selectivo en frecuencia que suprima las bandas de paso no deseadas. La tercera propiedad destacable de un detector síncrono son sus características selectivas de frecuencia.
Si un detector síncrono funciona en modo síncrono y detecta una señal modulada, sus propiedades selectivas de frecuencia aparecen para la señal detectada. El ancho de banda del detector síncrono para la señal detectada se reduce a la mitad: gl = 1/(2*PI*RC) El factor de calidad y el ancho de banda de un detector síncrono se cambian extremadamente fácilmente seleccionando los parámetros de la cadena RC. Puede obtener un factor de calidad muy bajo y un ancho de banda amplio, o un factor de calidad extremadamente alto y un ancho de banda estrecho. Por ejemplo, a una frecuencia de 1 MHz con una resistencia de 1 MΩ y una capacitancia de 1 μF, obtenemos un factor de calidad de 6,28 * 106 y un ancho de banda de 0,3 Hz. Este factor de calidad no se puede obtener ni siquiera con un buen resonador de cuarzo. Mientras tanto, se puede lograr un ancho de banda de incluso 0,001 Hz. Sin embargo, una banda tan exótica puede ser necesaria sólo cuando se miden señales extremadamente débiles.
Las propiedades selectivas de frecuencia de un detector síncrono se pueden mejorar significativamente utilizando un filtro de paso bajo de orden superior en lugar de un circuito RC integrado. Por tanto, con un filtro de segundo orden se puede obtener la misma respuesta de frecuencia que cuando se utiliza un filtro con dos circuitos conectados para la selección de frecuencia. Un filtro de cuarto orden producirá el mismo efecto que un filtro de selección agrupada de cuatro bucles. En la Fig. La Figura 3 muestra un ejemplo de un circuito de filtro activo de segundo orden que se puede utilizar en lugar de un circuito RC integrador. El ancho de banda de dicho filtro es gl=1/(2*PI/RC) El detector síncrono se utiliza con mayor frecuencia en modo síncrono. Para hacer esto, debe tener una señal de referencia síncrona. Si el detector forma parte de cualquier complejo de medición cerrado, normalmente no hay problemas para crear una señal de referencia síncrona. Surgen dificultades al detectar señales provenientes del exterior, por ejemplo, señales de radio. En televisión, se utiliza como frecuencia de referencia una frecuencia dedicada de la señal portadora de imagen. Para la recepción de transmisiones, la señal de referencia se puede organizar mediante un sistema PLL. Para solucionar este problema, se producen circuitos integrados especializados. En modo asíncrono, la salida produce una señal de frecuencia diferente. Si esto no es deseable, puede hacer lo siguiente. Es necesario utilizar dos detectores síncronos cuyas señales de referencia estén desplazadas 90°. Las señales obtenidas en las salidas de estos detectores deben elevarse al cuadrado y sumarse. Luego extrae la raíz cuadrada de la cantidad resultante. El resultado es una señal que no contiene la diferencia de frecuencia:
Es fácil implementar el circuito detector síncrono clásico utilizando dos interruptores analógicos (Fig. 4).
Un detector de este tipo puede funcionar a frecuencias de hasta 1 MHz. Cuando se combina con los modeladores de señales de entrada y de referencia, el dispositivo resulta algo engorroso. Por tanto, en ocasiones se puede dar preferencia a una opción más sencilla según el diagrama de la Fig. 5.
Este detector funciona de la siguiente manera. Supongamos que el interruptor está abierto para señales de entrada negativas y cerrado para señales positivas. Cuando el interruptor está abierto, obtenemos un amplificador inversor con una ganancia de -1 y el voltaje de entrada negativo en la salida del amplificador operacional se vuelve positivo. Si la llave está cerrada, el dispositivo adquiere la propiedad de un repetidor. Como resultado, obtenemos una señal rectificada de onda completa en la salida del amplificador operacional. Durante otras fases de la operación de llave obtenemos las mismas señales de salida que en un detector síncrono de llave clásico. Esta opción tiene un rendimiento significativamente menor en comparación con la anterior, se puede utilizar en frecuencias de hasta 10 kHz. El detector síncrono de clave más rápido se puede obtener basándose en un multiplicador de señal. Su principio de funcionamiento es sencillo. Si las señales detectadas y de referencia tienen el mismo signo, luego de la multiplicación obtenemos una señal positiva que conserva la forma de la detectada. La industria produce muchos tipos de multiplicadores de señal. Solo algunos de ellos tienen la capacidad de multiplicar señales analógicas (por ejemplo, K525PS2) y, a partir de ellos, es posible crear un circuito detector síncrono clave con las propiedades de uno clásico. La mayoría de los multiplicadores de señal se utilizan para el fin previsto como convertidores de frecuencia en equipos receptores de radio (a menudo llamados "mezclador doble balanceado"). También se pueden utilizar como detector síncrono, pero la señal de salida es diferencial, con la adición de algún componente constante, que puede ser necesario eliminar en el futuro. En la figura 6 se muestra un diagrama de una posible versión de un detector síncrono. XNUMX.
El detector funciona hasta una frecuencia de 1 MHz. A frecuencias más altas, surgen dificultades con la formación de una señal de referencia rectangular, que debería tener una amplitud de aproximadamente 1 V. En ausencia de una señal detectada, una resistencia de ajuste ajusta el voltaje de salida a cero. La desventaja del dispositivo es la dependencia del voltaje de salida de la amplitud de la referencia. Este detector funciona como síncrono y con una señal de referencia sinusoidal hasta frecuencias de varios cientos de megahercios, pero ya no será un detector síncrono clave, sino un detector síncrono sobre un multiplicador. De hecho, al multiplicar señales Uccos(Ft + f) y Uccos(Ft) obtenemos 1/2*U0Uc[cos(f)+cos(2Pies+f)] La segunda señal con el doble de frecuencia es suprimida por la cadena integradora en la salida del detector, dejando 1/2U0Uccos(f). Cualitativamente el mismo resultado que en el detector síncrono clave, pero ahora existe una dependencia de la magnitud de la señal de referencia, lo que no es muy bueno para medir circuitos. Literatura:
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