§ 6.9. ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Детекторами называются устройства, с помощью которых из электрических сигналов выделяется информационная составляющая.

В зависимости от преобразуемого параметра, который песет информацию, их подразделяют на амплитудные, фазовые, частотные. Отдельную группу составляют синхронные детекторы, часто выполняющие функции избирательных устройств. Среди амплитудных, которые часто называют выпрямителями, амплитудными дискриминаторами или преобразователями тех или иных значений, принято различать детекторы средневыпрямленного, пикового и действующего (эффективного) значений.

Название детектора характеризует параметр преобразуемого сигнала, которому пропорционально выходное напряжение (ток).

Детекторы средневыпрямленного значения выполняются по схемам обычных выпрямительных устройств с учетом того, что выходной сигнал должен быть точно пропорционален соответствующему параметру входного.

Применяют как однополупериодное выпрямление входного сигнала (рис. 6.48,а), при котором выходной сигнал (рис. )

(6.168)

гак и двухполуиериодное (рис. 6.48,в), характеризуемое уравнением

(6.169)

где К — коэффициент пропорциональности.

При невысокой точности преобразования и больших уровнях входного сигнала применяют пассивные преобразователи (рис. 6.49, а, б). У детектора (рис. 6.49, а) для улучшения линейности последовательно с основным выпрямительным диодом включен резистор . Сопротивление его значительно больше прямого сопротивления диода. Тем самым режим работы открытого диода приближается к режиму заданного тока, в котором нелинейность прямой ветви его вольт-амперной характеристики мало влияет на выходной сигнал. Диод и резистор включены для того, чтобы в оба полупериода нагрузка резистора была одинаковой: Это предохраняет от появления дополнительной постоянной составляющей на разделительном конденсаторе, который часто устанавливается на выходе источника напряжения . Недостатки такого детектора: значительная нелинейность при малых входных сигналах, низкая точность и стабильность, изменение характеристик преобразования при смене диодов.

Эти же недостатки присущи двухполупериодному выпрямителю (рис. ). В нем для линеаризации и улучшения температурных характеристик дополнительно введены диоды , включенные в прямом направлении. При малых входных сигналах прямое сопротивление диодов имеет повышенное значение, что приводит к уменьшению выходного сигнала.

Однако при этом увеличивается и сопротивление диодов , включенных параллельно с .

Рис. 6.48. Диаграммы входного (а) и выходного сигналов при однополупериодном (б) и двухполупериодном (в) выпрямлении

Рис. 6.49. Детекторы средневыпрямленного значения: а - олноподупериодные; б - двухполунериолные

Это ведет к перераспределению тока выпрямителя. Относительно большая составляющая начнет протекать через сопротивление нагрузки и нелинейность характеристики преобразования существенно уменьшится. Аналогично рассмотренному осуществляется компенсация температурной погрешности. При повышении температуры прямое напряжение диодов выпрямителя уменьшается на , что должно привести к увеличению выходного сигнала. Одинаковые с этим уменьшения прямого напряжения на диодах снижают уровень выходного сигнала. В итоге результирующее изменение характеристик преобразования оказывается значительно меньше, чем это было бы при отсутствии компонентов параметрической компенсации. Ее эффективность зависит от правильности выбора резисторов , на значение которых влияет сопротивление нагрузки.

Значительно лучшие характеристики преобразования можно получить при использовании детекторов средневыпрямительного значения с активными компонентами. В них выпрямительные узлы обычно включаются в цепь отрицательной ОС, что позволяет приблизительно в у раз уменьшить входное напряжение, при котором диоды открываются. Соответственно уменьшаются влияния нестабильности порогового напряжения и разброса прямых сопротивлений диодов.

В качестве прецизионных однополупериодных детекторов средневыпрямленного значения обычно используют ограничители (рис. 6.39,в), имеющие хорошие характеристики преобразования в диапазоне частот до .

На основе этой схемы создают и двухполупериодные выпрямители (рис. 6.50,а). В таком детекторе средневыпрямленного значения напряжения ОУ выпрямляют разные полуволны входного сигнала, которые суммируются с противоположными знаками в ОУ . Коэффициент усиления каждой полуволны

(6.170)

причем предъявляются жесткие требования к равенству сопротивлений резисторов .

Рис. 6.50. Двухполупериодные детекторы средневыпрямленных напряжений с двумя (а) и одним (б) выпрямляющими узлами; диаграмма напряжений (в)

Преимущества данной схемы — в идентичности узлов, выпрямляющих разные полуволны.

Благодаря этому разница в коэффициентах преобразования напряжения каждого из полупериодов имеет минимальное значение. Однако параметры преобразования зависят от большого числа сопротивлений, что требует их тщательного отбора. Кроме того, погрешности вносит напряжение смещения нуля ОУ и его дрейф.

В двухполупериодном детекторе (рис. ) применен один выпрямляющий узел на ОУ , который инвертирует входной сигнал. Выходное напряжение ОУ равно:

(6.171)

Если выполняется условие

то коэффициенты преобразований полуволн напряжений равны и имеют разные знаки. В результате сигнал на выходе будет однополярным и пропорциональным средневыпрямленному значению напряжения (рис. 6.50,в).

Погрешности преобразования зависят от точности выполнения условия (6.173) и смещения нуля ОУ .

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения к выходу детекторов средневыпрямленного значения подключены фильтры низких частот, выполненные на пассивных или активных компонентах, причем смещения нуля активных компонентов дополнительно увеличивают погрешность преобразования. Несмотря на эти недостатки, на основе рассмотренных схем можно создать детекторы, погрешности которых не превышают десятые — сотые доли процента.

Значительно лучшие характеристики при существенном упрощении схемы удается получить в детекторах с коммутируемыми конденсаторами (рис. 6.51, а, б).

Рассмотрим работу однополупериодного детектора (рис. 6.51,а), считая идеальным усилитель переменного напряжения . Пусть напряжение на конденсаторе С равно нулю и на вход поступает отрицательная полуволна напряжения. В этом случае диод открыт, а потенциал точки а равен потенциалу общей шины. Напряжение на конденсаторе С имеет нулевое значение. При смене полярности входного напряжения открывается диод , но в точке а потенциал остается нулевым. Конденсатор С начинает заряжаться током , который равен . За время этой полуволны на нем накопится заряд

Рис. 6.51. Однополупериодные и двухполупериодные детекторы с коммутируемыми конденсаторами: 1 - усилитель переменного напряжения

(6.174)

При отрицательном сигнале второго периода напряжение в точке а равно нулю, диод открыт, закрыт. Конденсатор С разряжается через резистор . Его заряд уменьшается по экспоненциальному закону

(6.175)

При положительной полуволне процесс зарядки конденсатора С повторяется и напряжение на нем повышается, причем ток зарядки практически не зависит от напряжения на конденсаторе вследствие того, что он включен в цепь ОС усилителя. Ток разрядки при каждой полуволне увеличивается из-за повышения напряжения на конденсаторе С. При равенстве изменений заряда наступает динамическое равновесие. Среднее напряжение на конденсаторе перестает меняться, что свидетельствует об окончании переходного процесса.

Постоянная составляющая выходного напряжения пропорциональна средневыпрямленному значению входного при однополупериодном выпрямлении.

Действительно, исходя из равенства приращений заряда на конденсаторе при его зарядке и разрядке можно записать

(6.176)

Если учесть, что постоянную времени берут большой, так, чтобы за период входного сигнала напряжение на конденсаторе существенно не изменилось, то можно считать, что его постоянная составляющая

(6.177)

Так как напряжение присутствует на выходных зажимах в течение промежутка времени , для можно записать

(6.178)

Амплитуда пульсаций выходного напряжения зависит от частоты сигнала и значений емкости конденсатора С и резисторов . Этими же параметрами определяется длительность переходного процесса.

Поэтому имеется однозначная связь между быстродействием и уровнем пульсации выходного напряжения. Так, при и пульсациях время установления около 10 с.

Аналогично рассмотренному работает двухполупериодный детектор (рис. ). В отличие от рассмотренного во время второй полуволны конденсатор С заряжается через резистор и постоянная составляющая напряжения на нем в два раза больше, чем у однополупериодного выпрямителя.

Погрешности преобразования у таких детекторов в диапазоне средних частот могут быть менее 0,001%. В диапазоне низких частот погрешность увеличивается из-за уменьшения коэффициента усиления усилителей переменного напряжения. Для его существенного увеличения в схеме рис. 6.50, б включены два ОУ. В диапазоне низких частот вместо усилителя переменного напряжения можно применять бездрейфовые ОУ типа МДМ. Рассматриваемые детекторы хорошо работают на высоких частотах, обеспечивая на частоте 1 МГц погрешности менее при использовании достаточно высокочастотного усилителя.

Преобразователи электрических сигналов, выходное напряжение которых равно максимальному значению модуля входного сигнала, называются пиковыми или амплитудными детекторами.

Различают пиковые детекторы с открытым и закрытым входами. В детекторах с открытым входом выходной сигнал пропорционален сумме постоянной и максимального значения переменной составляющих входного напряжения. В детекторах с закрытым входом имеется разделительный конденсатор и выходной сигнал пропорционален только переменной составляющей входного.

Схемы пиковых детекторов, выполненных на пассивных компонентах, приведены на рис. 6.52, а, б, 6.53, а, б, в. Общим условием их нормальной работы является большое сопротивление нагрузки, так чтобы , и малое значение постоянной времени зарядки конденсаторов , где (Т — длительность периода входного сигнала). При их выполнении конденсаторы за время одной полуволны (нескольких полуволн) заряжаются до максимального значения входного сигнала. В промежутках между процессами зарядки напряжение на них изменяется незначительно из-за большой постоянной времени цепи разрядки. К тому же эти уменьшения напряжения компенсируются соответствующей подзарядкой, происходящей в каждый период воздействия входного сигнала.

Пусть на вход пикового детектора с открытым входом (рис. 6.52, а) подано входное напряжение (рис. 6.52, в). имеющее постоянную составляющую . При первой положительной полуволне диод VD открывается и конденсатор С заряжается до напряжения .

Рис. 6.52. Пиковые детекторы с открытым (а) и закрытым (б) входами; диаграмма напряжений (в)

Как только напряжение, приложенное к диоду, становится меньше пороговом (контактной разности потенциалов), диод запирается и начинается разрядка конденсатора через сопротивление нагрузки Ли При большой постоянной времени цепи разрядки напряжение на конденсаторе изменится незначительно за промежуток времени, в течение которого напряжение на диоде снова превысит пороговое значение. При этом диод снова откроется и увеличит заряд на конденсаторе С и напряжение на нем Промежуток времени, в течение которого диод открыт характеризуется углом отсечки 29. Угол отсечки зависш от постоянных времени цепей зарядки и разрядки конденсатор; С, а также от формы входного сигнала. Значение его можно найти исходя из условия равенства приращений тока заряда и разрядки . При малых значениях что характерно для пиковых детекторов, можно считан, справедливым приближенное уравнение

где — сопротивление цепи зарядки конденсатора, равное сумме сопротивлений источника входного сигнала и прямого сопротивления диода.

Рис. 6.53. Детекторы с входными сигналами с открытыми (а) и закрытыми (б, в) входами

Из (6.179) видно, что чем больше постоянная времени разрядки и меньше постоянная времени зарядки , тем меньше угол . Постоянная составляющая выходного напряжения детектора

(6.180)

Уравнения (6.179), (6.180) справедливы при синусоидальной форме входного сигнала. Но они могут быть использованы и для прикидочных расчетов и в случае несинусоидальных напряжений.

Таким образом, выходное напряжение детектора с открытым входом равно пиковому значению входного сигнала данной полярности относительно нулевого уровня.

В случае пикового детектора с закрытым входом конденсатор С заряжается до напряжения (рис. 6.52, в) аналогично рассмотренному. Так как постоянное напряжение вычитается из входного сигнала, то на сопротивлении нагрузки оказывается пульсирующее падение напряжения. Его постоянная составляющая . Для ее выделения к выходу детектора необходимо подключать фильтр низких частот, имеющий высокое входное сопротивление. В ряде случаев вместо фильтра низких частот подключают детектор с открытым входом, аналогичный показанному на рис. 6.52, а и 6.53, а. В этом случае выходной сигнал

где и — углы отсечки пиковых детекторов на диодах .

Для получения выходного напряжения, равного размаху входного, применяют детекторы рис. 6.53, б, в. Выходное напряжение схемы рис. 6.53, б определяется разностью максимального и минимального входных напряжений при наличии в их составе постоянной составляющей. У детектора рис. 6.53, в выходное напряжение равно . Пиковые детекторы, у которых выходной сигнал больше входного, являются основой для построения устройств, обеспечивающих увеличение выходного напряжения без использования дополнительных источников электрической энергии. Цепи данного целевого назначения называют умножителями напряжений.

Пиковые детекторы с пассивными компонентами хорошо работают до частот в сотни МГц. Однако их эффективная работа возможна только в случае больших входных сигналов, когда , где — пороговое напряжение, при котором открывается диод. При малых напряжениях наблюдается существенная нелинейность характеристики преобразования.

Рис. 6.54. Пиковые детекторы с ОУ: а - простейший; б - с улучшенными характеристиками

Для уменьшения погрешностей пиковых детекторов в диапазоне частот до и более широко применяют активные компоненты. Так, если запоминающий конденсатор С подключить к инвентирующему входу ОУ (рис. 6.54, а), то влияние на выходной сигнал порогового напряжения диода уменьшится в раз. При положительной полуволне входного сигнала диод смещается в прямом направлении и конденсатор С заряжается до напряжения . При напряжении меньшем диод запирается. Запомненное значение хранится на конденсаторе С, уменьшаясь с течением времени вследствие наличия у диода обратного тока и входного тока у ОУ. На значение выходного сигнала также влияют сопротивление утечки конденсатора и дифференциальное входное сопротивление ОУ. Диод введен для ограничения уровня выходного напряжения отрицательной полярности. Это повышает быстродействие вследствие меньшего заряда на барьерной емкости диода , но может быть применено только тогда, когда ОУ имеет цепь защиты от короткого замыкания. В противном случае диод следует убрать. Для уменьшения влиянья на выходной сигнал входного сопротивления ОУ, которое в ряде микросхем имеет небольшое значение при большом дифференциальном сигнале, целесообразно применять микросхемы с МОП-транзисторами в цепях входов. Постоянная времени цепи зарядки конденсатора в этом случае равна , где Явых — выходное сопротивление ОУ. Постоянная времени разрядки зависит от нагрузки и сопротивлений и токов утечек. ОУ попадает в ограничение по отрицательной полярности при входных напряжениях, меньших . Это снижает быстродействие детектора.

Лучшие характеристики преобразования удается получить с помощью схемы рис. 6.54, 5. В этом случае к конденсатору С подключен повторитель напряжения . Он имеет большое входное сопротивление, что повышает стабильность сохранения заряда на конденсаторе С.

Кроме того, введение позволяет ввести отрицательную ОС по положительной полярности. Вследствие этого ОУ не попадает в ограничение, что повышает его быстродействие. В схеме также предусмотрена цепь, позволяющая разрядить конденсатор С и тем самым «стереть» запомненную информацию. Это ключ на МОП-транзисторе . При подаче на его затвор управляющего напряжения транзистор открывается. Конденсатор С быстро разряжается до нуля через малое сопротивление канала.

С использованием этих принципов выполняются пиковые детекторы импульсных вольтметров и узлы электронных схем. в которых используется информация об экстремальных значений сигнала.

Детекторы действующего или эффективного значений преобразуют входной сигнал в выходное напряжение, определяемое уравнением

(6.181)

где К — коэффициент пропорциональности.

Особенностью этих детекторов является то, что их выходное напряжение не зависит от формы и частоты входного сигнала при постоянстве у него действующего значения напряжения.

В соответствии с (6.181) такие детекторы аналоговых сигналов могут быть реализованы двумя путями: с использованием логарифмирующих и антилогарифмирующих устройств, с помощью нелинейных преобразователей, имеющих квадратичную характеристику, и устройства, позволяющего извлечь квадратный корень.

При использовании логарифмирующих и антилогарифмирующих устройств последовательно включаются преобразователи и усилители, выполняющие математические операции в соответствии с уравнением (6.181). Обычно это сложное устройство, имеющее небольшую точность преобразования.

Преобразователи с квадратичными характеристиками используются значительно чаще. В качестве их обычно применяют нелинейные усилители, амплитудная характеристика которых аппроксимируется параболой. Способ построения таких детекторов поясняет структурная схема рис. 6.55. Входное напряжение выпрямляется однополупериодными выпрямителями 1 и подается на усилители 2, имеющие квадратичные вольт-амперные характеристики. На их выходе сигналы пропорциональны квадрату положительной и отрицательной полуволн входного напряжения и . Знак одного из напряжения меняется усилителем 3, имеющим единичный коэффициент усиления по напряжению. После суммирования в сумматоре 4 сигнал равен .

Рис. 6.55. Структурная схема детектора действующего значения

Он усредняется с помощью фильтра низких частот 5. В устройстве 6 из сигнала извлекается квадратный корень. В результате этих операций выходное напряжение определяется уравнением (6.181). Схемотехническое выполнение всех функциональных узлов рассмотрено ранее и не требует специальных пояснений. Из-за большого их количества трудно получить высокую точность детектирования. Поэтому погрешность квадратичных детекторов обычно равна десятым долям — нескольким процентам.

Фазовые детекторы обеспечивают получение выходного напряжения, пропорциональное фазовому сдвигу между двумя сигналами, имеющими одну частоту. Их часто называют фазочувствительными выпрямителями или синхронными детекторами. Под синхронным детектированием понимают преобразовательные цепи, в которых коммутация элемента, меняющего коэффициент передачи устройства, осуществляется синхронно с одним из входных сигналов, частота которого может отличаться от частоты второго входного сигнала. Поэтому фазовые детекторы представляют собой частный случай синхронных детекторов.

Применяются линейные и ключевые фазовые детекторы. Линейные фазовые детекторы выполняются на основе перемножителей аналоговых сигналов. В них на один из входов, например вход X, подается напряжение , а на другой (Y) — напряжение . В результате перемножения выходной сигнал равен

где — масштабные коэффициенты.

Если к выходу перемножителя подключить фильтр низких частот, который не пропускает высокочастотную составляющую, имеющую частоту , то выходное напряжение фильтра будет равно

(6.183)

где — масштабный коэффициент.

Рис. 6.56. Фазовый детектор на микросхеме (а) и его характеристика при (б)

Таким образом, перемножитель сигналов, к входу которого подключен фильтр низких частот, не пропускающий переменной составляющей, обеспечивает получение постоянного напряжения, пропорционального фазовому сдвигу между напряжениями .

При создании фазовых детекторов могут быть использованы микросхемы и др., причем тип микросхемы выбирается исходя из частотного диапазона ее работы.

С целью уменьшения количества дополнительных навесных компонентов целесообразно применять перемножители новых разработок, имеющие встроенный ОУ и малые смещения нулевых сигналов, например типа (рис. 6.56, а). В этом перемножителе приходится устанавливать только навесные резисторы, компенсирующие смещение нуля выходного напряжения, и постоянные резисторы , обеспечивающие получение нужных входных токов у дифференциального каскада (см. § 6.8). Перемножаемые напряжения подключаются через конденсаторы, устраняющие влияние постоянных составляющих входного сигнала. Фильтр низких частот второго порядка выполнен на резисторе и конденсаторе а также на ОУ . Характеристика преобразования при постоянных амплитудах входных напряжений показана на рис. . Дрейфы нуля перемножителя и фильтра низких частот приводят к появлению соответствующих погрешностей преобразования. Поэтому их следует стремиться свести к минимуму.

Для уменьшения погрешностей сигналы можно преобразовать в прямоугольные импульсы за счет их усиления и ограничения. Их значения берут такими, чтобы перемножитель под их воздействием насыщался. Это легко сделать при использовании микросхем типа . Тогда на выходе перемножителя будут прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности.

Рис. 6.57. Фазовый ключевой детектор (а) и диаграммы входного (б) и выходного (в, г) напряжений при фазовых сдвигах

Их величина не зависит от напряжений , а полярность и длительность определяются этими сигналами. Постоянная составляющая, выделяемая фильтром низких частот, пропорциональна сдвигу фаз .

Ключевые фазочувствительные детекторы представляют собой электронные ключи, управляемые одним из входных сигналов. Принцип их работы поясняется рис. 6.57. Так, если имеется ключ (рис. 6.57, а), управляемый напряжением , то среднее напряжение на выходе зависит от значения сигнала и его фазового сдвига относительно напряжения . Так, если напряжение изменяется по синусоидальному закону (рис. 6.57, б), фазовый сдвиг между равен нулю и ключ включается при положительной полярности напряжения , то выходной сигнал имеет вид рис. 6.57, в.

Его среднее значение . При -градусном сдвиге фаз напряжений выходной сигнал имеет форму, показанную на рис. 6.57, г. Его среднее значение . В общем случае выходное напряжение ключевого фазового фильтра можно найти из уравнения

(6.184)

где .

Таким образом, выходное напряжение ключевого фазового фильтра зависит только от фазового сдвига напряжений и величины сигнала , причем, так же как и в случае линейного фазового фильтра, оно выделяется с помощью фильтра низких частот. Если установить второй ключ, управляемый напряжением , но открывающийся при другой полярности, и его выходное напряжение после инвертирования просуммировать с уже имеющимся, то получится «двухполупериодный» фазовый детектор. Он будет иметь в два раза большую частоту пульсаций, что позволяет уменьшить постоянные времени фильтра низких частот и увеличить быстродействие, а также в два раза повысить выходной сигнал.

При практическом выполнении фазовых детекторов используются ключи, выполненные на основе диодов, полевых и биполярных транзисторов, а также микросхемы аналоговых ключей, например серий 590, 564, 561, 176.

На рис. 6.58, а, б, в показаны некоторые из возможных схем фазовых детекторов. В схеме 6.58, а ключи выполнены на биполярных транзисторах , имеющих электропроводность противоположного типа. Они открыты при разного знака. Поэтому при одном полупериоде ток протекает через транзистор , при другом — через транзистор .

Рис. 6.58. Фазочувствительные выпрямители с ключами: а — на биполярных: б - полевых фанзиспорах; в - диодах

Так как резисторы , с которых снимается выходной сигнал, равны между собой, то коэффициенты передачи в каждый полупериод воздействия напряжения UQU одинаковы и равны . Выходной сигнал может быть снят с одного из резисторов («однополупериодное» преобразование) или с обоих резисторов («двухполупериодное» преобразование). Фильтр низких частот выполнен на резисторах и конденсаторе С. Транзисторы управляются токами, задаваемыми резисторами . Значения их берутся такими, чтобы обеспечивался режим насыщения. Вследствие малого сопротивления ОУ ток управления транзисторами практически не влияет на выходной сигнал и не вносит погрешностей. Для улучшения характеристик фазового фильтра следует брать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного напряжения, использовать высокочастотные транзисторы и сигнал преобразовывать в напряжение прямоугольной формы. Погрешность подобного фазового детектора в диапазоне средних частот .

В фазочувствительном выпрямителе (рис. 6.58, б) ключи выполнены на полевых транзисторах. Диоды в цепях их затворов предохраняют транзисторы от гальванического соединения с источником управляющего напряжения при отпирающих полярностях его напряжения. При одной полярности открыт ключ и коэффициент передачи ОУ , а при другой открыт ключ и коэффициент передачи меняет знак: . Резисторы выбирают так, чтобы . Фильтр низких частот выполняют на резисторе и конденсаторе С. В данной схеме несколько уменьшено влияние импульсов, которые сопровождают процесс переключения полевых транзисторов. Они возникают за счет емкости и передают перепад на вход ОУ. Так как близкие по значению импульсы подаются на разные входы, то суммарная помеха равна их разности.

При больших значениях напряжений применяют ключи на диодах (рис. 6.58, в). В таком кольцевом детекторе сопротивление диодов зависит от значений и полярности напряжений , а средний ток в диагонали пропорционален произведению значений напряжений и их фазовому сдвигу.

Эффективные фазовые детекторы выполняют на основе схем выборки — хранения. В них моменты выборки определяются напряжением , из которого формируются короткие управляющие импульсы.

В синхронных детекторах частоты напряжений могут различаться между собой. Так, если входной и опорный сигналы равны и частоты и близки между собой, то при их перемножении получим

Рис. 6.59. Частотная характеристика синхронного детектора (а) и использование его для детектирования сигналов (б): 1 - усилитель-ограничитель; 2 - фильтр низких частот

(6.185)

где — коэффициенты пропорциональности.

Из (6.185) видно, что постоянная составляющая в составе пропорциональная , появляется только в том случае, если . Это позволяет использовать синхронный детектор в качестве узкополосного высокодобротного фильтра, который позволяет выделить из состава сложного входного сигнала составляющую, имеющую частоту . Однако зависимость результатов такой фильтрации от значения напряжения заставляет отдавать предпочтение ключевым синхронным детектором. При этом из-за сложного спектрального состава напряжения постоянную составляющую будут давать все гармоники сигнала , нечетные частоте (рис. 6.59). Ширина полосы пропускания определяется верхней частотой полосы пропускания фильтра низких частот, подключенного к выходу синхронного детектора. С его помощью выделяется постоянная составляющая. Поэтому реальный синхронный фильтр выделяет не отдельные частоты, а полосы частот, ширина которых на уровне 0,7 равна . Чем меньше , тем уже полоса пропускания и меньше быстродействие фильтра. Если сигнал модулирован частотой Q, то следует выбирать из условия .

Синхронные фильтры широко используют для преобразования сигналов, имеющих в своем составе импульсные помехи. Для этого входной сигнал преобразуют в прямоугольное напряжение с помощью усилителя-ограничителя 1 и подают его на вход детектора вместо напряжения (рис. 6.59, б). Такой детектор преобразует только частоту входного сигнала и его нечетные гармоники. В результате помехи и шумы, имеющие другие частоты, не оказывают влияния на выходной сигнал.

С помощью синхронных детекторов часто удается получить более высокую добротность, чем при применении обычных фильтров.

Рис. 6.60. Структурная схема преобразователя частота — напряжение (а) и выполнение ПЧН на микросхеме .

Так, например, с помощью их можно фильтровать сигналы, имеющие граничную частоту 1 МГц с шириной полосы Гц. Это соответствует добротности .

Частотные детекторы осуществляют преобразование частотно-модулированных электрических сигналов в сигналы с другими электрическими параметрами. Чаще всего частота преобразуется в напряжение. Такие детекторы называют преобразователями частота — напряжение (ПЧН).

Прецизионные ПЧН обычно имеют структуру рис. 6.60, а. Работа их заключается в том, что электронный ключ подключает конденсатор С к источнику постоянного тока с частотой преобразуемого сигнала , причем длительность подключения строго определенная и во много раз меньше длительности периода входного сигнала при наибольшей его частоте. В промежутках между подключениями источника тока конденсатор разряжается через резистор R, что исключает процесс непрерывного нарастания выходного напряжения. В установившемся режиме приращения зарядов на конденсаторе за время его разрядки и зарядки равны между собой, что позволяет записать уравнение баланса

где .

При выполнении условия членом, содержащим , можно пренебречь ввиду его малости и (6.186) записать в виде

(6.187)

Из (6.187) следует, что крутизна преобразования зависит от емкости запоминающего конденсатора С тока и длительности включения электронного ключа.

Погрешности преобразования зависят от стабильности этих параметров. Для получения повышенной точности входной сигнал обычно преобразуют в прямоугольные импульсы с помощью компаратора напряжений 1 (усилителя-ограничителя с большим коэффициентом усиления). Из них в блоке 2 формирования калиброванных по длительности импульсов получают сигналы, управляющие электронным ключом. В качестве блока 2 обычно применяют прецизионные одновибраторы. Данная структура использована в микросхеме при включении ее в схему ПЧН рис. 6.60, б. Конденсатор С и разрядный резистор R в ней навесные. Длительность задается с помощью конденсатора . При крутизна преобразования в диапазоне равна . ПЧН можно использовать до частоты . На высоких частотах более нескольких сотен частотные детекторы обычно выполняют с использованием резонансных -контуров. Фазовая характеристика параллельного -контура вблизи резонанса описывается уравнением

(6.188)

где Q — добротность контура; — резонансная частота; мгновенная частота; - полоса пропускания -контура, определенная на уровне — девиация частоты, . Если на один вход перемножителя напряжений подать входной сигнал , а на другой подать тот же сигнал через резонансный -контур, то фазовый сдвиг напряжений на входах перемножителя будет зависеть от частоты. Выходное напряжение перемножителя, на входе которого включен фильтр низких частот, определяется из уравнения (6.183): . Подставив (6.188) в (6.183) и произведя преобразования с учетом того, что , получим

(6.189)

Если меняется с частотой , то

(6.190)

Таким образом, аналоговый перемножитель, у которого фаза напряжения на одном из входов зависит от частоты, работает как частотный детектор. В принципе можно применять и любые другие фазосдвигающие устройства. Однако в диапазоне высоких частот они дают меньшую стабильность фазового сдвига по сравнению с резонансными -контурами.

Эта идея использована в частотных детекторах, выполненных на микросхеме .

Рис. 6.61. Структурная схема микросхемы (а), ее включение частотным детектором (б)

Ее структурная схема приведена на рис. 6.61, а, а включение показано на рис. . Фазосдвигающий -контур подбирают исходя из требуемой резонансной частоты. Конденсатор выполняет роль фильтра низких частот. Наличие в микросхеме внутреннего усилителя-ограничителя позволяет устранить погрешности, связанные с нестабильностью уровней сигнала. Микросхема работает до частот в несколько десятков МГц .