Что такое синхронный детектор?

Дмитрий Филатов
Синхронный детектор используется для демодуляции (детектирования) какого-либо модулированного (не постоянного) сигнала. В Сети отчего-то мало информации про синхронный демодулятор. Пожалуй, зафиксирую в этой заметке всё, что мне удалось про него узнать.

Часть 1. Схема генератора прямоугольного сигнала на микросхеме 4047.

Прежде, чем переходить к синхронному детектору, соберём генератор прямоугольного сигнала на одной микросхеме. Этот прямоугольный сигнал мы потом и будем подавать на синхронный детектор.

Обычно для таких генераторов используют транзисторные мультивибраторы или (чаще) таймер 555. При этом забывают про такую замечательную вещь, как CD4047 и её клоны. Это очень стабильный мультивибратор с широким диапазоном питающего напряжения (4.5 - 15.5 В) и минимальным обвесом (только времязадающая цепь). У него три выхода: #13 - прямой выход с мультивибратора, #10 и #11 - после делителя (с частотой вдвое меньше и инвертированные друг относительно друга; фактически - это фазоинвертор, он же - генератор парафазного сигнала).

Даташит на микросхему HEF4047B

На стр. 5 даташита подробно описано, какие ножки куда подсоединять для генерации нужного сигнала, а на стр. 13 есть указания по поводу номиналов времязадающей RC-цепи: сопротивление резистора должно быть не меньше 10k и не больше 1M, а ёмкость конденсатора - начинаться со 100 пФ. Частота генерации для фазоинвертора рассчитывается по формуле f = 1/(4.40 * R * C). Утверждается, что прямоугольник, снятый с ножек 10 или 11, будет иметь куда более крутые фронты по сравнению с сигналом на 13 ножке. Просчитаем схему для частоты 1 кГц. Конденсатор у меня был под руками керамический 0.01 мк (чрезвычайно распространённый) - самое то. Вычисляем сопротивление резистора: R = 1/(4.40 * 1000 Гц * 0.00000001 Ф) = 22727 Ом. По ряду номиналов радиодеталей подбираем ближайшее значение: 22 кОм. Схема устройства:На выходе у него будет почти идеальный меандр с амплитудой 5 В и частотой 1033 Гц (~ 1 кГц). Теперь нам нужно проинтегрировать этот меандр, чтобы получить постоянное напряжение. Для этого мы используем синхронный детектор.

Часть 2. Синхронный детектор. Что это такое и с чем его едят?

Синхронный детектор, по сути, - та же самая интегрирующая RC-цепочка, но на её вход подаётся демодулированный сигнал. Демодуляция делается для того, чтобы выделить из входящего сигнала только полезный, отсекая всякий шум. В качестве демодулятора выступает аналоговый ключ. Схематичное изображение такого ключа представлено на рисунке ниже.Когда на управляющем входе S находится низкий уровень, вход A соединён с выходом B1, а когда на S подаётся высокий уровень, A соединяется с B2. Если на S и A синхронно подавать один и тот же прямоугольный сигнал, на B2 появится пульсирующий ток с амплитудой A и частотой S (fA = fS, если сигнал S равен сигналу A), а на выходе B1 будет ноль. Теперь представим ситуацию, когда сигнал с вывода #10 микросхемы 4047 проходит через какую-либо среду и затем должен быть проинтегрирован. Мы не знаем, каким трансформациям подвергся сигнал в этой среде.На графике А' представлен исходный сигнал, на графике Б' - сигнал, прошедший через некую среду. Как видите, он искажён. Если мы начнём его интегрировать, то получим ерунду. От заваленных фронтов нужно избавиться. Для этого сигнал Б' мы подаём на вход A аналогового ключа, исходный сигнал А' - на вход S ключа, и на выходе B2 ключа получаем сигнал В'. Амплитуды у Б' и В' одинаковы, зато частота и форма сигнала В' такая же, как у сигнала А'. И вот с выхода B2 сигнал В' подаётся на интегрирующую RC-цепочку.Интегралом меандра будет прямая линия с напряжением в два раза меньшим, чем амплитуда сигнала В' (так как у меандра длительность высоких и низких уровней одинакова). На следующем рисунке светло-серым цветом обозначен исходный сигнал, чёрным - сигнал после демодулятора (это исходный сигнал, прошедший через некую среду, и потому его амплитуда меньше), тёмно-серым - проинтегрированный демодулированный сигнал:Итоговая схема синхронного детектора выглядит так:Осталось подобрать номиналы элементов интегрирующей цепи.

Часть 3. Расчёт номиналов элементов интегрирующей RC-цепи.

Воспользуемся формулой f = 1/(2Pi * R * C). Частота у нас на входе 1 кГц, конденсатор возьмём 0.1 мк. R = 1/(2Pi * 1000 Гц * 0.0000001 Ф) = 1591 Ом. Однако, не следует спешить ставить в схему резистор номиналом 1.5 кОм. Сначала посчитаем постоянную времени t = RC = 1500 Ом * 0.0000001 Ф = 0.00015 с. Теперь посчитаем период входного сигнала T = 1/F = 1/1000 = 0.001. И вот тут есть тонкость. На практике оказывается, что интегрирующая цепь будет хорошо работать (выпрямлять ток) только в том случае, если t >> T. Поэтому резистор всегда выбирают на один-два порядка больше, чем требуется по расчёту. Возьмём 150 кОм. Посчитаем теперь: t = 150000 Ом * 0.0000001 Ф = 0.015 с, 0.015 >> 0.001. Итак, условие выполняется. Ну, и теперь прикинем инерционность нашего интегратора. Конденсатор заряжается или разряжается на 99% за время 5t. В нашем случае: 5 * 0.015 = 0.075 с. Достаточно быстро.

В качестве ключей можно порекомендовать серию 3157 или DG419.
2014-04-13