КОНТАКТНЫЙ МОДУЛЯТОР ТОКА
CONTACT CURRENT MODULATOR

Предлагаемое изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано для модуляции слабых постоянных и инфранизкочастотных электрических токов и напряжений в усилителях типа МДМ (модулятор-демодулятор).
В высокочувствительных МДМ-усилителях преимущественное распространение получили контактные модуляторы, выполненные на основе электромагнитных реле (в данном контексте применении называемых вибропреобразователями) [1, 2].
Известен контактный модулятор электрического тока, содержащий: вибропреобразователь, генератор переменного тока, подключенный к обмотке возбуждения вибропреобразователя, и согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена в цепь коммутации входного сигнала, а вторичная служит выходом модулятора [3].
Это устройство принято нами за прототип.
Схема известного устройства показана на фиг.1,а.
0
На схеме обозначено: 1 - источник входного сигнала - постоянного напряжения U; 2 - вибропреобразователь, выполненный на основе поляризованного реле; 3 - генератор переменного тока; 4 - согласующий трансформатор.
m
m
вых
Известное устройство работает следующим образом. Протекающий по обмотке возбуждения вибропреобразователя переменный ток i(t)=Isinωt, где I - амплитуда и ω - круговая частота, создавая магнитное поле, поочередно замыкает подвижный контакт вибропреобразователя с его верхним или нижним неподвижными контактами, благодаря чему и осуществляется процесс модуляции. Импульсы модулированного тока поочередно протекают по верхней и нижней секциям первичной обмотки согласующего трансформатора, и в его вторичной обмотке наводится выходное напряжение u(t).
вых
На фиг.1,б приведены графики, поясняющие работу известного устройства. Здесь изображены (сверху вниз): график синусоидального тока, протекающего по обмотке возбуждения вибропреобразователя, и график импульсов выходного модулированного напряжения u(t), фазовый угол α обусловлен конечным временем переключения подвижного контакта вибропреобразователя с одного неподвижного контакта на другой.
1
вых.1
m1
1
1
При одинаковой длительности τ=π-2α положительного и отрицательного импульсов выходного напряжения (что обеспечивается балансировкой вибропреобразователя) спектр напряжения содержит основную частоту (первую гармонику) и высшие нечетные гармоники. Для дальнейшего усиления обычно используют напряжение основной частоты u(t)=Usin(ωt+φ), где φ - начальная фаза.
Недостатком известного устройства является то, что выходной сигнал и подводимый к нему ток возбуждения имеют одну и ту же частоту. Несмотря на ряд принимаемых мер (внутренняя экранизация и т.п.), часть энергии из цепи возбуждения неминуемо проникает во входную цепь, что вызывает смещение и дрейф нуля известного устройства, ограничивая его возможности при усилении очень малых токов и напряжений инфранизкочастотного диапазона.
Целью предлагаемого изобретения является осуществление модуляции на одной из четных гармоник, что позволит уменьшить смещение и дрейф нуля контактных модуляторов благодаря созданной возможности эффективно отфильтровать полезный сигнал.
Другой целью изобретения является повышение надежности модулятора.
2n
Эти цели достигаются тем, что в заявляемом устройстве использован вибропреобразователь, выполненный на основе неполяризованного реле и подключенный к генератору возбуждения, вырабатывающему знакопеременные прямоугольные импульсы тока с длительностью τ=π/2n, где n - номер выбранной четной гармоники, причем подвижный контакт вибропреобразователя имеет низкую инерционность, а основная частота ω тока возбуждения выбрана значительно ниже частоты собственных резонансных колебаний подвижного контакта вибропреобразователя.
Схема заявляемого устройства показана на фиг.2,а.
0
2n
На схеме обозначено: 1 - источник входного сигнала - постоянного напряжения U; 2 - вибропреобразователь, выполненный на основе неполяризованного реле; 3 - генератор переменного тока, вырабатывающий знакопеременные прямоугольные импульсы длительностью τ=π/2n; 4 - согласующий трансформатор.
2n
2n
вых.2n
Заявляемое устройство работает следующим образом. Протекающий по обмотке возбуждения переменный ток в виде знакопеременных прямоугольных импульсов длительностью τ=π/2n замыкает контакты вибропреобразователя дважды за период тока основной частоты ω, независимо от знака импульса. Длительность замыкания контактов также равна τ (задержкой срабатывания реле пренебрегаем). В результате получаем модулированное выходное напряжение u(t), спектр которого содержит четные гармоники. В конкретной реализации модулятора можно использовать как вторую (n=1), так и четвертую (n=2) гармоники выходного сигнала.
2n
<mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
На фиг.2,б приведены графики, поясняющие работу заявляемого устройства. На верхнем графике изображены знакопеременные импульсы тока возбуждения. Здесь θ - начальная фаза процесса. Длительность импульсов тока возбуждения τ=π/2n=π-2θ. Поэтому
На нижнем графике приведены импульсы модулированного выходного сигнала заявляемого устройства.
n=1
Рассмотрим работу заявляемого устройства на удвоенной растете (второй гармонике). Для этого случая из (1) находим: θ=π/4.
Разложение тока возбуждения в ряд Фурье примет вид:
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>≅</mo><mn>0,9</mn><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mn>3</mn><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow><mn>9</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mn>5</mn><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mn>25</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><mo>…</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Отсюда видно, что в спектре тока возбуждения отсутствуют четные гармоники, наибольший «вес» имеет первая гармоника, а высшие нечетные гармоники затухают обратно пропорционально квадрату номера гармоники.
вых.2
m2
2
m2
2
Преимущество заявляемого устройства (по сравнению с прототипом) заключается в том, что, отделяя полезный сигнал u(t)=Usin(2ω+φ), где U - амплитуда второй гармоники и φ - начальная фаза, можно исключить влияние помехи с основной частотой ω, проникающей из цепи возбуждения вибропреобразователя, т.е. эта помеха уже не будет ответственной за смещение и дрейф нуля модулятора.
Выделение полезного сигнала удвоенной частоты может быть обеспечено как за счет настройки в резонанс на частоту 2ω вторичной обмотки согласующего трансформатора (см. фиг.2,а), так и благодаря использованию в процессе дальнейшего усиления двухтактного избирательного усилителя и синхронного детектора, также настроенных на частоту 2ω.
Однако из-за несовершенства реальных генераторов возбуждения в токе возбуждения обычно присутствует и составляющая удвоенной частоты. Оценим ее уровень в 1-3% от уровня тока основной частоты. Эта составляющая (с частотой 2ω) не сможет быть отфильтрована, и неминуемо будет проникать в выходной сигнал и вызывать смещение и дрейф нуля модулятора, подобно тому как в известных устройствах в выходной сигнал проникает составляющая основной частоты. Тогда при прочих равных условиях (одинаковой балансировке и внутренней экранировке вибропреобразователей) смещение и дрейф нуля предлагаемого устройства будет по крайней мере в 30 раз меньшим, чем наблюдается в устройстве-прототипе.
Надежность и долговечность заявляемого устройства зависит от ряда дополнительных факторов. К ним прежде всего относится инерционность подвижного контакта вибропреобразователя. Дело в том, что при приближении частоты возбуждения к резонансной частоте собственных колебаний подвижного контакта возникают нарушения в длительностях замыканий сигнальной цепи. Поэтому, с одной стороны, инерционность подвижного контакта вибропреобразователя должна быть предельно малой; с этой точки зрения целесообразно использовать в качестве вибропреобразователей герконы [4]. С другой стороны, частоту тока возбуждения следует выбирать значительно ниже резонансной частоты подвижного контакта вибропреобразователя.
В этой связи также весьма полезным является переход к, осуществлению модуляции на четвертой гармонике (n=2). В этом случае увеличивается пауза между положительными и отрицательными импульсами тока возбуждения и уменьшается постоянная составляющая тягового усилия на подвижный контакт вибропреобразователя, что способствует его более устойчивой работе.
Заявляемое устройство найдет применение в высокочувствительных МДМ-усилителях постоянного и инфранизкочастотного напряжений нано- и пиковольтового диапазонов. При этом частота тока возбуждения может быть выбрана в диапазоне от нескольких единиц до первых десятков герц.
Литература
1. Шляндин В.М. Основы автоматики. - М-Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 592 с.
2. Измерительные преобразователи постоянного тока. Под ред. к.т.н. Синицкого Л.А. - Киев, Физ. - Мех. Институт, 1965. - 375.
3. Калинчук Б.А., Пичугин О.А. Модуляторы малых сигналов. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. - 200 с.
4. Преображенский А.А., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства информационно-измерительной техники: Учебник для ВУЗов - М.: Высш. школа, 1982. - 264 с.