Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2. ЗАДАЮЩИЕ И СРАВНИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
(ДИСКРИМИНАТОРЫ)Дискриминатор – это устройство
для обнаружения рассогласованияпараметров сигналов в
системах автоматики и преобразования этого рас-
согласования в сигнал, удобный для дальнейшей обработки.
2.1. Дискриминаторы постоянного тока
2.1.1 Дискриминатор постоянного тока на одном
операционном усилителе. Выходной сигнал в этой схеме
равен разности двух входных z = y -x, где x и y – величины
постоянных входных напряжений дискриминатора.
Если в дискриминаторе (рис. 2.1) использован интегральный опера-
ционный усилитель, то для идеализированной модели (при коэффициен-
те усиления усилителя равном бесконечности) амплитуда выходного
сигнала определяется следующим выражением:
При R3 = R4и R1 = R2 выходное напряжение в этой схеме равно
разности двух входных напряжений U вых =Uу −Uх . Необходимо
учитывать, что точность и стабильность сопротивлений всех
резисторов должна соответствовать требуемой точности преобразования.
К недостаткам схемы следует отнести низкое входное сопротивление,
а также слабое подавление синфазного сигнала
В качестве примера рассмотрим применение этой схемы для построе-
ния измерителя температуры.
В преобразователе (рис. 2.2) один из резисторов (R1 или R2) должен
выполнять функции чувствительного элемента, сопротивление которого
зависит от температуры, а величина входного напряжения дискриминатора
должна задаваться прецизионным источником опорного напряжения E.
При выполнении этих условий величина выходного напряжения схемы,
зависящая от сопротивлений резисторов, будет функцией температуры
Uвых=f(T).
2.1.2. Прецизионный дискриминаторна основе инструментального
Усилителя. Существенное повышение точности преобразования в
дискриминаторе можно получить применением специальной структуры,
которая получила название инструментального усилителя. Инструмен-
тальные усилители выпускаются в виде прецизионных интегральных схем
с весьма низкой погрешностью преобразования сигналов. Типовая схема
инструм. усилителя приведена на рис. 2.3. Идентичность резисторов,
определяющих точность преобразования сигналов, обеспечивается осо-
бенностями технологии производства интегральных схем. Изменение
коэффициентов преобразования производится подключением внешнего
резистора R2 [5]. Как видно из схемы (рис. 2.3), структура симметрична и
одинакова по свойствам для обоих входов.
Достоинства схемы: высокое входное сопротивление, симметрия вхо-
дов и большое подавление синфазного сигнала, коэффициент передачи
определяется одним резистором по обоим входам.
Прецизионные дискриминаторы применяются при повышенных тре-
бованиях к характеристикам, например, для подключения к пьезодатчи-
кам, конденсаторным микрофонам, для снятия биопотенциалов с кожи
человека.Для дискриминатора важной характеристикой является дискри-
минационная характеристика, т.е. зависимость амплитуды выходного
сигнала от величины входного. Дискриминационная хар-ка позволяет
оценить допустимые диапазоны изменения сигналов. Для амплитудного
дискриминатора эта характеристика – зависимость амплитуды выходно-
го сигнала от амплитуды входного сигнала. На рис. 2.4 показана типо-
вая дискриминационная характеристика, причем Uвх=Uy–Ux . Рабочий
участок дискриминационной характеристики – участок с линейной зави-
симостью Uвых=kпрUвх. На графике Еп – напряжение питания усилителя, а
Uвыхmax – максимально возможное выходное напряжение усилителя,
ограниченное свойствами его выходного каскада.
2.1. Амплитудные дискриминаторы
Эти дискриминаторы предназначены для сравнения постоянного на-
пряжения (например, сигнала управления) с амплитудным значением
переменного напряжения (например, сигнала обратной связи). Для вы-
полнения этого сравнения необходимо преобразовать оба сигнала в об-
щий формат. Рациональнее сформировать сигнал постоянного напряже-
ния, равного амплитуде переменного напряжения (рис. 2.5). Это преоб-
разование легко выполнить с помощью известных схем выпрямителей.
На рис. 2.5 В\Ф – выпрямитель и фильтр нижних частот (ФНЧ).
2.2.1. Амплитудный дискр.с простейшим амплитудным выпрямителем
Схема дискриминатора с простейшим однополупериодным выпрями-
телем и делителем сигнала приведена на рис. 2.6. Ее выходное напряже-
ние определяется выражением
Резисторы целесообразно выбирать так же, как в дискриминаторе на
рис. 2.1. Постоянная времени ФНЧ τф должна выбираться в несколько
раз больше максимального периода переменного входного сигнала T2макс,
( ) ф 3 4 τ = C R + R >>T2макс (для идеального операционного усилителя
0, ) вх вх i ≅ R = ∞ .Дискриминатор (рис. 2.6) должен работать при амплитуде входного
напряжения *2 м U >U . Только тогда диод VD1 выпрямителя открывается
(рис. 2.7) и на его выходе формируется напряжение, пропорциональное
амплитуде входного сигнал. При уровне *2 м U <U выходное напряже-
ние выпрямителя близко к нулю.
2.2.2. Амплитудный дискриминатор с прецизионным
двухполупериодным выпрямителем
Для повышения точности необходимо применение выпрямителей с
более высокой точностью преобразования сигналов. Схема дискримина-
тора с улучшенными характеристиками приведена на рис. 2.8.
На операционных усилителях А1 и А2 выполнен прецизионный
двухполупериодный выпрямитель. Минимальный уровень сигналов для
этого выпрямителя составляет 100 мкВ ÷ 10 мВ, а минимальный период
сигнала на входе ФНЧ вдвое меньше, чем в предыдущей схеме. Следует
также отметить, что высокая чувствительность схемы достигается боль-
шим коэффициентом усиления операционных усилителей и большой
скоростью нарастания выходного сигнала.При разных полярностях переем.
вх. напряжения U2∼ сигналы поступают на выход выпрямителя (UвыхA2)
по разным цепям.Для положительного полупериода 2~ U+ диод VD1 открыт,
а VD2 закрыт. Сигнал поступает на инвертирующий вход усилителя А2 только
через R3, так как на R5 – нулевое напряжение. Выходное напряжение вы-
прямителя
Преимущества рассмотренной схемы с прецизионным выпрямителем
очевидны: в широком диапазоне изменения уровней входных сигналов
точность преобразования не зависит от характеристик диодов.
2.2.3. Амплитудный дискриминаторс синхронным детектором
Существуют и другие схемы выпрямителей с высокой точностью
преобразования, пример схемы дискр-ра с синхронным детекто-
ром приведен на рис. 2.9.
В этой схеме передача входного переменного напряжения на вход
ФНЧ производится аналоговым ключом S, а компаратор напряжения КН
управляет ключом. При 2~ U+ ключ S замкнут, а при 2~ U− разомкнут, и
напряжение отрицательной полярности на вход ФНЧ не поступает. Что-
бы получить двухполупериодный выпрямитель на синхронном детекто-
ре, достаточно в схему добавить второй ключ и инвертирующий повто-
ритель входного сигнала (рис. 2.9).
Амплитудный дискриминатор с синхронным детектором имеет наи-
большую чувствительность к входному сигналу, которая в свою очередь
определяется параметрами применяемого компаратора напряжения.
2.3. Фазовые детекторы (дискриминаторы)
Фазовый детектор (ФД) – устройство, выходное напряжение которого
пропорционально фазовым соотношениям периодических сигналов U1(t)
и U2(t), подаваемых на его входы (рис. 2.11). Как правило, один из вход-
ных сигналов принято называть опорным, например U2(t). При этом вы-
ходной сигнал ФД должен быть пропорционален фазовому сдвигу пер-
вого сигнала по отношению к опорному сигналу.
По принципу формирования выходного сигнала ФД принято разде-
лять на два типа – параметрические и векторомерные.
2.3.1. Параметрический фазовый дискриминатор на основе аналогового
перемножителя сигналов В параметрических фазовых дискриминаторах
под воздействием Uоп(t) изменяется какой либо параметр линейной цепи,
поэтому на выходах таких детекторов образуется напряжение
где А – масштабный коэффициент передачи.Информация о фазе в
выходном сигнале (2.10) находится в самой низкочастотной составл
яющей его спектра, поэтому для ее выделения на выходах параметрических
фазовых дискриминаторов устанавливают фильтры нижних частот.
Схема параметрического ФД на основе аналогового перемножителя
сигналов показана на рис. 2.12.
Определим зависимости выходного напряжения ФД от разности фаз
входных для случая гармонических сигналов Uоn(t) и Uс(t)
Для фазометрического режима дискриминационная характеристика,
т.е. зависимость выходного напряжения ФД от разности фаз входных
напряжений приведена на рис. 2.13. Из приведенного графика и анализа
формулы (2.15) следует, что выходное напряжение параметрического
фазового дискриминатора зависит не только от разности фаз входных
колебаний, но и от их амплитуд, что является существенным недостат-
ком схемы. Также следует отметить, что дискриминационная характери-
стика носит периодический характер.
Для того чтобы выходное напряжение не зависело от амплитуд вход-
ных сигналов на входах дискриминатора, применяют ограничители или
средства стабилизации амплитуд.
К основным характеристикам ФД следует отнести чувствительность
и линейность, которые определяются видом дискриминационной харак-
теристики. Так как дискриминационная характеристика параметрическо-
го фазового дискриминатора нелинейная, то чувствительность (крутизна
преобразования) находится по формуле
и, как правило, на линейном участке, т.е. в данном случае при переходе
графика через ноль.
2.3.2. Фазовый дискриминатор на основе ключевого умножителя сигналов
Рассмотрим случай, когда в схеме на рис. 2.12 в качестве опорного
сигнала подается не гармонический сигнал, а последовательно двупо-
лярных импульсов прямоугольной формы, причем с амплитудой равной
±1В – рис. 2.14,а. При таком опорном напряжении аналоговый умножи-
тель на интервале времени от 0 до τ умножает входной сигнал на +1, а на
интервале времени от τ до T на -1, т.е. от аналогового умножителя требу-
ется только два коэффициента умножения. Это позволяет отказаться от
микросхемы аналогового умножителя и применить схему с дискретно
изменяемым коэффициентом передачи, например, с помощью электрон-
ного ключа – рис. 2.14,б.
Когда ключ S в схеме разомкнут, коэффициент передачи схемы, со-
стоящей из резисторов, операционного усилителя и ключа, равен 1, а ко-
гда замкнут (-R2 /R1) и при R2 = R1, он равен -1.
Для меандра (τ =T/2) и гармонического входного сигнала среднее
значение напряжения на выходе ФД (на выходе ФНЧ в схеме на рис.
2.14) сигналов определяется по формуле
В качестве примера на рис. 2.15 приведены временные диаграммы
напряжений в схеме при ϕ =π/2 (рис. 2.15,а) и при ϕ =0 (рис. 2.15,б).
2.2.4. Фазовый дискриминатор на логическом элементе«исключающее ИЛИ»
Если входные сигналы являются периодическими сигналами со стан-
дартными логическими уровнями, то ФД можно построить на логиче-
ском элементе «исключающее ИЛИ» (рис. 2.15).
Таблица истинности для различных состояний входов элемента ис-
ключающее ИЛИ приведена на рис. 2.17,а, а на рис. 2.17,б показано со-
стояние выходного сигнала Z для двух входных сигналов X и Y, пред-
ставляющих собой последовательности импульсов с одинаковой часто-
той и равной скважностью, причем сдвинутых относительно друг друга
на время tz.При изменении фазового соотношения между входными последова-
тельностями импульсов (при изменении tz) в выходной последователь-
ности Z изменяется длительность импульсов, а их период остается неиз-
менным, т.е. изменяется только коэффициент заполнения импульсов,
определяемый соотношением
Частота среза выходного ФНЧ выбирается такой, чтобы подавить все
высокочастотные составляющие в спектре сигнала Z за исключением
постоянной составляющей. Представив рядом Фурье последователь-
ность Z и отбросив все гармонические составляющие в спектре этого ко-
лебания, находим выражение для определения напряжения на выходе ФНЧ
Изменение длительности tz выходных импульсов Z от 0 до Tz про-
порционально изменению разности фаз входных колебаний от 0 до 180
градусов, поэтому в соответствии с формулой (2.21) дискриминацион-
ная характеристика рассмотренного ФД линейна (рис. 2.18).
Чувствительность ФД определяется наклоном дискриминационной
характеристики
и является постоянной величиной.
Благодаря линейной дискриминационной характеристике рассмот-
ренная схема ФД может быть использована для построения измеритель-
ных приборов.
2.3.4. Векторомерный фазовый дискриминатор
Формирование выходного сигнала этого ФД производится суммиро-
ванием векторной суммы и разности напряжений входного Uc(t) и опор-
ного U0(t) сигналов. Векторное суммирование и вычитание можно вы-
полнить соответствующим включением обмоток трансформаторов (рис.
2.18). Полученные сигналы суммы U1(t) и разности U2(t) поступают че-
рез выпрямители и ФНЧ на выход ФД. Сумма выпрямленных сигналов
Uвых1(t) и Uвых2(t) формирует выходное напряжение схемы Uвых(t).
Для анализа свойств ФД составим эквивалентную схему (рис. 2.19),
заменив обмотки трансформаторов эквивалентными источниками на-
пряжений.
Если на входы векторомерного ФД подаются гармонические сиг-
налы, описываемые выражениям (2.11) и (2.12), то в результате их сум-
мирования и вычитания на входы детекторов в схеме поступают сигналы
В последних формулах фазовый угол опорного колебания принят
равным нулю, т.е. оп ϕ = 0.Амплитуды сигналов колебаний на входах
детекторов можно найти с помощью векторных диаграмм (рис. 2.22).
На графике рис. 2.22,а показан случай, когда фазовый сдвиг между
входным и опорным колебаниями равен 90 градусов. Как видно из этого
рисунка, при таком фазовом сдвиге амплитуды колебаний на входах
детекторов равны между собой и как следствие выходное напряжение
Uвых(t) на выходе фазового дискриминатора, равное разности постоянных
напряжений на выходах амплитудных детекторов Uвых1(t) и Uвых2(t)
равно нулю. В случае отклонения фазового сдвига от 90 градусов одна из
амплитуд колебаний увеличивается, а другая – уменьшается (см. рис. 2.22б).
При этом появляется разность напряжений на выходах амплитудных
детекторов и в зависимости от величины фазы и знака отклонения
формируется на выходе ФД пропорциональное постоянное напряжение.
RC-цепи на выходах амплитудных детекторов предназначены для
выделения (запоминания) амплитуд сигналов и выполняют роль фильт-
ров нижних частот.Нормированная дискриминационная характеристика
векторомерного ФД показана на рис. 2.23.
Практические исследования показывают, что при отклонении фазы
ϕ = 900 ± 600 линейность дискриминационной характеристики рассмот-
ренного ФД находится в пределах 1÷ 2 %.
2.3. Частотные дискриминаторы
Частотные дискриминаторы предназначены для формирования сиг-
нала отклонения частоты периодических входных сигналов от заданного
значения и преобразования этого отклонения в пропорциональное ему
постоянное напряжение.
2.4.1. Частотный дискриминатор на основе одиночного расстроенного
контура В частотных дискриминаторах (ЧД) выходное напряжение должно
зависеть от частоты входного сигнала. Простейший ЧД (рис. 2.24) мож-
но построить на резонансном контуре или его эквиваленте – фильтре
второго порядка полосового типа (ПФ).
На амплитудно-частотной характеристике ПФ (рис. 2.25) можно вы-
делить участок с выраженной зависимостью коэффициента передачи от
частоты сигнала. В данном случае можно использовать один из наклон-
ных участков АЧХ, например участок характеристики в области частоты
ω2 При постоянной амплитуде входного сигнала величина напряжения
на выходе ПФ будет зависеть только от частоты сигнала. После детек-
тирования и фильтрации сигнала с выхода ПФ с помощью выпрямителя
В и фильтра нижних частот, на выходе фильтра устанавливается посто-
янное напряжение Uвых(f), пропорциональное частоте входного сигнала.
Основные параметры ПФ: центральная частота ω ц, затухание
Чем больше добротность ПФ, тем выше крутизна преобразования
частотного дискриминатора
К недостаткам рассмотренной схемы частотного дискриминатора
следует отнести нелинейность его дискриминационной характеристики,
а также наличие выходного напряжения при любой частоте входного
сигнала.
2.4.3. Частотный дискриминатор на основе фазовращателя и фазового
дискриминатораЧастотный дискриминатор можно также построить на основе
схемы одного из рассмотренных ранее фазовых дискриминаторов. Для того
чтобы это сделать, необходимо входной сигнал подготовить для ФД, т.е.
изменение частоты входного сигнала сначала преобразовать в изменение
фазы – рис. 2.3. Устройства, которые позволяют преобразовать измене-
ние частоты в изменение фазы, называют фазовращателями (ФВ).
Фазовращатель (фазовый фильтр) – это устройство, у которого АЧХ
не зависит от частоты (является постоянной величиной на любой часто-
те), а ФЧХ может изменяться определенным образом, в зависимости от
решаемой задачи.Рассмотрим работу ЧД на основе фазовращателя первого порядка –
рис. 2.31.
С учетом принятых на схеме обозначений передаточная функция фа-
зовращателя имеет вид
В соответствии с полученными формулами амплитудно-частотная и
фазочастотная характеристики фазовращателя показаны на рис. 2.32.
Дискриминационная характеристика частотного дискриминатора по-
вторяет форму ФЧХ фазовращателя.
2.5.2. Электронные задатчики сигналов
В общем случае задающие устройства – это прецизионные генерато-
ры детерминированных сигналов заданной формы. Если характер изме-
нения задающего воздействия соответствует форме типовых сигналов,
то применяют классические генераторы (гармонических, прямоуголь-
ных, линейно-изменяющихся и т.п. сигналов). Для формирования перио-
дических сигналов произвольной формы предназначено задающее уст-
ройство, представленное на рис. 2.35.
Форма сигнала на выходе устройства (рис. 2.35) определяется после-
довательностью двоичных кодов, записанных в перепрограммируемом
запоминающем устройстве (ППЗУ). Двоичные коды, поступая на циф-
роаналоговый преобразователь (ЦАП), формируют через ФНЧ аналого-
вый выходной сигнал Uвых(t) с требуемыми характеристиками. Для
управления выборкой кодов из ППЗУ необходимы соответствующие ад-
ресные и управляющие сигналы, которые формирует управляющее уст-
ройство (УУ). Период повторения напряжения на выходе определяется
тактовой частотой f и объемом кодовой последовательности, записанной
в ППЗУ, а точность выходного сигнала (отклонение от желаемой формы
выходного сигнала) зависит от разрядности кодов и характеристик
ЦАП. В настоящее время практически все пользуются Flash-
проигрывателями, в которых в качестве ППЗУ используется Flash-
память. В свою очередь любой Flash-проигрыватель можно рассматри-
вать как задающее устройство. Так, например, если задать повторное
воспроизведение какого-либо музыкального фрагмента, то время звуча-
ния музыкального фрагмента (без повтора) можно рассматривать как пе-
риод колебания, при этом форма сигнала будет определяться самим му-
зыкальным фрагментом. Понятно, что вместо “музыкального” сигнала
можно записать определенную форму сигнала (синусоидальный, пило-
образный и т.д.) и тем самым реализовать функциональный генератор.
Из-за простоты реализации и широким функциональным возможностям
по рассмотренной схеме строятся многие промышленные генераторы.