АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ И НЕГАРМОНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
AMPLITUDE DETECTOR OF HARMONIC AND NONHARMONIC ELECTRIC SIGNALS

Изобретение относится к преобразователям радиоимпульсов (РИ) и негармонических импульсных электрических сигналов (ЭС) с различными несущими частотами в видеоимпульсы (ВИ) и может быть использовано для определения постоянного напряжения, равного амплитуде этих импульсов, в каналах обработки сигналов (КОС) акустических равносигнальных пеленгаторов (АРП), радиолокаторов, радиолокационных головок самонаведения ракет, амплитудных вольтметров и других приборов различного назначения.
Импульсные амплитудные детекторы (АД), преобразователи РИ в ВИ, широко применяются в КОС радиоприемников [1] и радиолокаторов [2]. Недостатками этих АД являются большой коэффициент пульсации пульсирующего напряжения на его выходе, а постоянная составляющая этого напряжения существенно меньше амплитуды данного напряжения, что обуславливается тем, что диодом не пропускаются на выход АД полуволны отрицательной полярности РИ, а это приводит к искажению информации, в частности в измерение угловых координат объекта равносигнальным радиолокатором и пеленгов источников звука (ИЗ). Кроме того, в этих АД длительность заднего фронта ВИ больше длительности этого фронта РИ, см. стр.380 работы [2], что будет приводить к снижению пропускной способности, например, радиолокаторов и АРП. В этих АД в качестве вентиля используются ламповые диоды, что снижает надежность работы этих детекторов и увеличивает энергопотребление. В работе [3] на стр.115 приводятся транзисторный АД и диодная схема на полупроводниковых диодах, но и этим АД присущи вышеуказанные недостатки в связи с тем, что не пропускаются на выход АД полуволны отрицательной полярности РИ.
р
вхунч
Наиболее близким техническим решением является АД, описанный в работе [4, см. стр.250], который возьмем в качестве прототипа. АД состоит из корпуса, полупроводникового диода Д, конденсатора С и резистора R. Входной РИ на этот АД подается с колебательного контура LC, а на него этот сигнал - с усилителя промежуточной частоты (УПЧ) через разделительный конденсатор. Выходной сигнал с этого АД подается через разделительный конденсатор С на вход усилителя низкой частоты (УНЧ), имеющий входное сопротивление R. Этот АД прост по конструкции и надежен в работе, но он имеет также три недостатка. Эти недостатки следующие:
0
1. Постоянная составляющая пульсирующего напряжения на его выходе U (при одинаковых значениях электрической емкости конденсатора С и входном сопротивлении устройства, подключенному к этому конденсатору) меньше амплитуды этого напряжения. Величину этой составляющей напряжения можно рассчитать по формуле (это очевидно из фиг.1)
где
1
2
т.е. общая площадь S фигуры под кривой напряжения на выходе прототипа равна сумме площадей 2-х фигур S и S (см. фиг.1);
, при
т.к. общеизвестно, что напряжение на конденсаторе C при его разряде через резистор R описывается экспонентой;
нm
U - амплитуда напряжения ЭС на конденсаторе С;
РИ на входе прототипа;
t - текущее время;
в прототипе (цепь его разряда следующая (см. стр.250 работы [4]): его верхняя обкладка, резистор R, нижняя обкладка);
C - величина электрической емкости конденсатора C в прототипе;
CP
T - момент времени, когда напряжение на конденсаторе С станет равным напряжению, поступающему с полупроводникового диода Д;
т.к. в это время на конденсатор C будет поступать гармонический сигнал с полупроводникового диода Д (см. фиг.1);
oc
нm
0
-6
Расчет с использованием автоматизированной математической системы Mathcad 2001 i Professional" (при таких исходных данных: f=20 Гц; U=2,7 B; R=330 Ом; С=2000 10 Ф) и формул (1)…(8) показал, что постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С U=2,60793 B, т.е. на 3,41% меньше амплитуды напряжения на нем (например, в АРП это будет приводить к систематическим ошибкам (CO) пеленгования ИЗ).
П
2. Коэффициент пульсации напряжения на выходе этого АД К при исходных данных (которые использовались при расчете постоянной составляющей пульсирующего напряжения на его выходе) относительно велик.
Покажем это с помощью расчета. Искомый коэффициент есть отношение амплитуды напряжения 1-ой гармоники на конденсаторе С Uнm1 к постоянной составляющей напряжения, см. работу [5, стр.34], т.е. он определяется по формуле
где
П
Расчет с использованием автоматизированной математической системы «Mathcad 2001 i Professional» при вышеуказанных исходных данных и формул (9)…(16) показал, что Uнm1=0,06263 B, а К=0,02401. Это будет приводить, например, в АРП к случайным ошибкам пеленгования ИЗ.
3. Длительность заднего фронта ВИ на выходе больше длительности этого фронта РИ на его входе.
Это очевидно, т.к. конденсатор C разряжается через резистор R, и он не может разрядиться мгновенно (см. на стр.250 работы [4]). Это видно, например, на рис.8.30 работы [2, стр.380], что будет приводить к снижению пропускной способности, например, АРП и радиолокаторов.
Технической задачей изобретения является увеличение постоянной составляющей напряжения, уменьшение его пульсаций и укорочение заднего фронта ВИ на выходе АД гармонических и негармонических ЭС.
Эта задача в изобретении решается следующим образом.
В АД гармонических и негармонических ЭС, состоящий из корпуса и конденсатора большой электрической емкости С, не менее десяти тысячи микрофарад, введен мостовой выпрямитель, который выполнен на четырех полупроводниковых диодах, обеспечивающий заряд этого конденсатора большой электрической емкости С до максимального положительного значения пульсирующего напряжения относительно корпуса данного АД гармонических и негармонических ЭС, наибольшее значение которого практически равно амплитуде этих ЭС, и цепь управления моментом быстрого разряда этого конденсатора, включающая в себя последовательно включенные между собой триггер Шмитта, одновибратор, дифференцирующую RC цепь, инвертор и электронный ключ, причем вход триггера Шмитта подключен к первой диагонали мостового выпрямителя, что является его входом, выход мостового выпрямителя, его вторая диагональ подключена к конденсатору большой электрической емкости C, емкостному фильтру, выход последнего подсоединен к нагрузке и через резистор R2 к коллектору мощного транзистора VT1 электронного ключа, а эмиттер которого к корпусу АД гармонических и негармонических ЭС, выход триггера Шмитта подключен ко входу одновибратора, выход последнего подсоединен ко входу дифференцирующей RC цепи, выход последней ко входу инвертора, выход последнего через резистор R1 подсоединен к базе мощного транзистора VT1 электронного ключа, эмиттер мощного транзистора VT1 электронного ключа подключен к корпусу АД гармонических и негармонических ЭС, корпуса инвертора, триггера Шмитта, дифференцирующей RC цепи, одновибратора и нижней обкладки конденсатора большой электрической емкости C соединены с корпусом АД гармонических и негармонических ЭС.
Заявляемый АД гармонических и негармонических ЭС иллюстрируется следующими чертежами:
OC
Фиг.1. График напряжения на выходе прототипа, наблюдаемого в интервале от 0 до 5T/4;
Фиг.2. Электрическая функциональная схема амплитудного детектора гармонических и негармонических электрических сигналов;
Фиг.3. Графики напряжений, действующие на входах и выходах устройств, входящих в амплитудный детектор гармонических и негармонических электрических сигналов при его работе;
OC
Фиг.4. График напряжения на выходе амплитудного детектора гармонических и негармонических электрических сигналов, наблюдаемого в интервале от 0 до 3 T/4;
Фиг.5. Электрическая функциональная схема экспериментальной установки для определения функционирования амплитудного детектора гармонических и негармонических электрических сигналов, постоянной составляющей и коэффициента пульсаций напряжения на его выходе;
Фиг.6. Электрическая функциональная схема экспериментальной установки для определения постоянной составляющей и коэффициента пульсации напряжения на выходе прототипа.
0
АД гармонических и негармонических ЭС состоит из корпуса, в котором размещены: емкостный фильтр 1, мостовой выпрямитель 2, представляющий из себя, см. фиг.2, диодный мост, собранный на полупроводниковых диодах VD1…VD4 так, как показано на этой фигуре, предназначенный для преобразования импульсных гармонических (см. график 1 фиг.3) и негармонических ЭС в пульсирующий (положительной полярности относительно корпуса АД) ЭС. Емкостный фильтр 1 представляет из себя электролитический конденсатор большой электрической емкости C, не менее 10000 мФ, который сглаживает пульсации ЭС, поступающего с мостового выпрямителя 2 (см. график 2 фиг.3). Триггер Шмитта 3 предназначен для формирования последовательности остроконечных треугольных импульсов из вышеуказанных ЭС (см. график 3 фиг.3). Одновибратор 4 представляет из себя заторможенный мультивибратор. Он предназначен для приема ЭС, поступающих с триггера Шмитта 3, формирования (в момент появления максимума первого остроконечного импульса с этого триггера) прямоугольного импульса положительной полярности длительностью t (см. график 4 фиг.3) и подачи его на вход дифференцирующей RC цепи 5. Последняя служит для преобразования положительного перепада напряжения, поступающего на ее вход, в импульс положительной полярности экспоненциальной формы, а также - отрицательного перепада напряжения, - на ее вход, в импульс отрицательной полярности этой же формы (см. график 5 фиг.3). Инвертор 6 служит для преобразования экспоненциального импульса положительной полярности, поступающего с дифференцирующей RC цепи 5, в экспоненциальный ВИ отрицательной полярности, а также - экспоненциального ВИ отрицательной полярности, поступающего с этой же цепи, в экспоненциальный ВИ положительной полярности (см. график 6 фиг.3) и подачи их на вход электронного ключа 7. Последний можно собрать на транзисторе VT1 большой мощности (например, КТ 827А), максимальный ток коллектора которого равен 20 A [5, стр.212], см. фиг.2, где резисторы R1 и R2, имеющие небольшие сопротивления (по 8,2 Ом) и ограничивающие токи базы и коллектора транзистора VT1 соответственно. Резистор R2 выбран с небольшим сопротивлением (много меньшим входного сопротивления, следующего за АД гармонических и негармонических ЭС устройства), что обеспечивает быстрый разряд конденсатора большой электрической емкости C по цепи: верхняя обкладка этого конденсатора, резистор R2, коллектор, база, эмиттер транзистора VT1, корпус АД, нижняя обкладка данного конденсатора. Входом АД гармонических и негармонических ЭС является первая диагональ мостового выпрямителя 2 (место соединения катода полупроводникового диода VD1 с анодом полупроводникового диода VD3 и место соединения катода полупроводникового диода VD2 с анодом полупроводникового диода VD4), а выходом АД гармонических и негармонических ЭС является вторая диагональ мостового выпрямителя 2 (место соединения катодов полупроводниковых диодов VD3 и VD4 и место соединения анодов полупроводниковых диодов VD1 и VD2). К месту соединения катодов полупроводниковых диодов VD3 и VD4 подключена плюсовая обкладка конденсатора большой электрической емкости C емкостного фильтра 1, а к месту соединения анодов полупроводниковых диодов VD1 и VD2 - минусовая обкладка этого конденсатора. Выход емкостного фильтра 1 соединяется со входом устройства, стоящего после АД гармонических и негармонических ЭС. Плюсовая обкладка конденсатора большой электрической емкости C емкостного фильтра 1 соединена через резистор R2 с коллектором мощного транзистора VT1 электронного ключа 7.
Входы АД гармонических и негармонических ЭС и триггера Шмитта 3 соединены между собой. Выход последнего соединен со входом одновибратора 4. Выход последнего соединен со входом дифференцирующей RC цепи 5. Выход последней соединен со входом инвертора 6. Выход последнего через резистор R1 соединен с базой мощного транзистора VT1 электронного ключа 7. Эмиттер мощного транзистора VT1 электронного ключа 7 подключен к корпусу АД гармонических и негармонических ЭС, корпуса инвертора 6, триггера Шмитта 3, дифференцирующей RC цепи 5, одновибратора 4 и минусовой (нижней) обкладки конденсатора большой электрической емкости C соединены с корпусом АД гармонических и негармонических ЭС.
Функционирует АД гармонических и негармонических ЭС следующим образом. В момент времени t=0 (см. график 1 фиг.3) на входы мостового выпрямителя 2 и триггера Шмитта 3, начиная с положительной полуволны напряжения, поступает РИ. Его можно описать таким аналитическим выражением (АВ):
вх
BXm
oc
вх
вx
u=U sin (ωt-φ), при 0<t<t,
BXm
где U - амплитуда напряжения гармоники (несущей частоты) РИ на входе АД гармонических и негармонических ЭС;
вх
φ - начальная фаза несущего колебания этого РИ;
вх
t - длительность этого РИ.
н
В интервале времени от 0 до одной четверти периода Тос происходит заряд конденсатора большой электрической емкости С по такой цепи (см. фиг.2 и график 2 фиг.3, а также фиг.4): верхний провод мостового выпрямителя 2, полупроводниковый диод VD3, конденсатор большой электрической емкости С, полупроводниковый диод VD2, нижний провод мостового выпрямителя 2. Электрический ток, протекающий через сопротивление нагрузки R (входное сопротивление последующего за АД гармонических и негармонических ЭС устройства), мал, так как емкостное сопротивление конденсатора
C
oc
н
X=1/ωC много меньше R за счет большой величины электрической емкости конденсатора C. Напряжение в нагрузке и соответственно на конденсаторе в этот интервал времени можно описать таким АВ:
н
нm
oc
н
oc
u=U sin(ωt-φ), при 0≤t≤T/4,
нm
вхm
где U≈U - амплитуда напряжения ЭС на выходе АД;
н
φ - начальная фаза этого ЭС.
OC
BXm
CP
В момент времени T/4 конденсатор большой электрической емкости С зарядится практически до амплитуды напряжения гармонического ЭС РИ (на нем будет напряжение положительной полярности относительно корпуса АД гармонических и негармонических ЭС), равное примерно U (см. график 2 фиг.3, а также фиг.4). После этого момента начнется разряд этого конденсатора по цепи: верхняя обкладка конденсатора большой электрической емкости C, сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего устройства, например, в АРП это аналого-цифровой преобразователь (АЦП)), нижняя обкладка конденсатора большой электрической емкости C. В момент времени T напряжение на конденсаторе большой электрической емкости С станет равным напряжению, поступающему с мостового выпрямителя 2, см. график 2 фиг.3, а также фиг.4. Напряжение в момент разряда конденсатора большой электрической емкости С можно описать таким АВ:
, при ,
рн
H
где τ=С R - постоянная времени разряда этого конденсатора.
CP
BXm
CP
Как только напряжение на конденсаторе большой электрической емкости С станет чуть меньше напряжения, поступающего с моста (это происходит в момент, чуть больший T, см. график 2 фиг.3, а также фиг.4), то начнется подзаряд конденсатора большой электрической емкости С по цепи: нижний провод мостового выпрямителя 2, полупроводниковый диод VD4, конденсатор большой электрической емкости С, полупроводниковый диод VD1, верхний провод мостового выпрямителя 2. В момент времени 3 Toc/4 этот конденсатор подзарядится снова практически до амплитуды напряжения гармонического ЭС РИ, на нем также будет напряжение, равное примерно U (см. график 2 фиг.3, а также фиг.4). Это напряжение в интервале времени T<t≤3 Toc/4 можно описать таким АВ:
н
нm
oc
н
CP
u=U|sin(ωt-φ|, при T<t≤3 Toc/4.
Далее процесс повторяется (см. график 2 фиг.3). В результате в нагрузку (например, в АРП на АЦП) будет подаваться пульсирующее напряжение, АВ которого имеет такой вид [1, стр.42, 43]:
напряжения, что очевидно из фиг.4;
1
2
1
2
S=S+S, т.е. общая площадь фигуры под кривой напряжения (18) на выходе АД гармонических и негармонических ЭС равна сумме площадей 2-х фигур S и S, что очевидно из фиг.4;
n - номера гармоник ЭС, поступающих в нагрузку;
CP
T - момент сравнения напряжения на вышеупомянутом конденсаторе с напряжением, поступающим с мостового выпрямителя 2;
- амплитуда n-ой гармоники;
n
n1
n2
a=a+a;
n
n1
n2
b=b=b.
П
1
1
Для определения коэффициента пульсации К необходимо знать значение амплитуды 1-ой гармоники. Амплитуду 1-ой гармоники напряжения на выходе АД гармонических и негармонических ЭС можно рассчитать по формуле (10), величины a и b - по формулам (11) и (12) соответственно, но
0
0
0
Одновременно с приходом РИ на вход АД гармонических и негармонических ЭС этот РИ поступает на вход триггера Шмитта 3 и на его выходе появляются остроконечные импульсы (см. график 3 фиг.3), которые поступят на вход одновибратора 4. 1-й остроконечный импульс триггера Шмитта 3 вызовет срабатывание одновибратора 4 (на остальные остроконечные импульсы одновибратор 4 не реагирует): на его выходе сформируется прямоугольный импульс положительной полярности длительностью t (см. график 4 фиг.3), который поступит на вход дифференцирующей RC цепи 5. Последняя (в момент поступления прямоугольного импульса положительной полярности длительностью t) сформирует импульс положительной полярности экспоненциальной формы, который поступит на вход инвертора 6. Последний сформирует из этого импульса импульс отрицательной полярности, который поступит на базу транзистора VT1 электронного ключа 7, но этот транзистор не откроется, т.к. он имеет проводимость типа «n-p-n». В момент окончания прямоугольного импульса положительной полярности длительностью t дифференцирующая RC цепь 5 сформирует импульс отрицательной полярности экспоненциальной формы, который поступит на вход инвертора 6. Последний сформирует из этого импульса импульс положительной полярности экспоненциальной формы, который поступит на базу транзистора VT1 электронного ключа 7, что вызовет открывание этого транзистора. В это время начнется быстрый разряд конденсатора большой электрической емкости C (т.к. постоянная времени его разряда мала, ибо сопротивление резистора R2 мало) по следующей цепи: верхняя обкладка этого конденсатора C, резистор R2, коллектор, база, эмиттер транзистора VT1 электронного ключа 7, корпус АД гармонических и негармонических ЭС и нижняя обкладка этого конденсатора большой электрической емкости С. Он полностью разрядится и АД гармонических и негармонических ЭС будет готов к приему следующего РИ.
H
Работа данного устройства была подтверждена экспериментально. Для определения функционирования АД гармонических и негармонических ЭС, постоянной составляющей напряжения и коэффициента пульсаций этого напряжения на его выходе был поставлен эксперимент №1, см. фиг.5, где (с целью упрощения конструкции экспериментальной установки) отсутствовала цепь управления быстрым разрядом конденсатора С. На вход мостового выпрямителя 2 подавался гармонический ЭС от генератора гармонического сигнала Г3 111, несущая частота которого равнялась 20 Гц, а амплитуда - 2,7 B. В качестве емкостного фильтра 1 был использован электролитический конденсатор с электрической емкостью С, равной 2000 мкФ, а резистор R, который использовался для имитации входного сопротивления последующего за АД гармонических и негармонических ЭС устройства, имел небольшое сопротивление (это неблагоприятный случай, т.к. сопротивление относительно небольшое), равное 330 Ом. В качестве мультиметра использовался ампервольтомметр VAS 830, который служил для точного измерения постоянной составляющей напряжения на выходе этого экспериментального АД.
В качестве осциллографа использовался С1-68, который служил для визуального наблюдения ЭС на выходе этого экспериментального АД, приближенного измерения амплитуд пульсирующего напряжения и его переменной составляющей. В качестве полупроводниковых диодов в мостовом выпрямителе 2 использовались диоды 2Д213А. Расчеты, проведенные по формулам (17)…(20) при вышеуказанных исходных данных, показали, что постоянная составляющая напряжения на выходе АД гармонических и негармонических ЭС составила 2,65495 B, что меньше на 1,7% меньше амплитуды напряжения на нем (в прототипе данная величина меньше на 3,41%), практически такой же результат был получен и при измерении ампервольтомметром VAS 830. А расчеты, проведенные по формулам (9)…(12) и (21)…(25) при вышеуказанных исходных данных, показали, что коэффициент пульсации напряжения в этом случае составил 0,01196, что примерно в 2 раза меньше, чем у прототипа. Примерно такой же результат был получен и на основе измерений амплитуды переменной составляющей напряжения на выходе этого экспериментального АД и постоянной составляющей напряжения на этом выходе. Некоторое различие рассчитанного значения коэффициента пульсации напряжения и полученного на основе эксперимента объясняются погрешностью измерений осциллографом С1-68 и невозможностью в данном эксперименте выделить 1-ую гармонику ЭС на выходе этого экспериментального АД.
Для экспериментального подтверждения расчетов по определению постоянной составляющей напряжения на выходе прототипа и его коэффициента пульсации был поставлен эксперимент №2, электрическая функциональная схема которого представлена на фиг.6. Параметры всех устройств, радиоэлементов и входного сигнала были идентичны эксперименту №1. Результаты измерений подтвердили расчеты, представленные выше.
Таким образом, АД гармонических и негармонических ЭС (при одинаковых с прототипом электрической емкости конденсатора C и входном сопротивлении следующего за ним устройства) имеет лучшие параметры сигнала (что анализировались выше) на своем выходе по сравнению с прототипом.
С целью нахождения наиболее оптимальных значений постоянной составляющей напряжения на выходе АД гармонических и негармонических ЭС и его коэффициента пульсации был поставлен эксперимент №3, который соответствовал исходным данным эксперимента №2, но электрическая емкость конденсатора была равна 10000 мкФ. В результате измерений, проведенных в данном эксперименте, и расчетов по формулам (9)…(12), (17)…(25) были получены следующие результаты: коэффициент пульсации напряжения на выходе АД гармонических и негармонических ЭС был равен 0,00240745, т.е. он практически равен 0, а постоянная составляющая пульсирующего напряжения на этом выходе была равна 2,69031 B, что примерно равно амплитуде пульсирующего напряжения 2,7 B (эта постоянная составляющая напряжения в данном случае меньше всего на 0,36% данной амплитуды).
Список использованных источников
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1963. - 695 стр.
2. Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. Дружинина В.В. - М.: Воениздат, 1967. - 768 стр.
3. Лебеденко И.С., Смирнов В.А. Электронные устройства приборов. - Тула: ТулГУ, 2003. - 148 стр.
4. Теория и расчет основных радиотехнических схем на транзисторах. - М.: Связь, 1964. - 455 стр. Прототип.
5. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. Расчет источников электропитания устройств связи. Уч. пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1993. - 232 стр.