Примеры детектирования

Для того чтобы посмотреть на процессы, происходящие при детектировании сигналов, можно воспользоваться программой моделирования схем TINA. Это программа позволяет начертить на экране компьютера нужную электронную схему из дискретных элементов и исследовать виртуальную работу этой схемы при помощи виртуальных приборов.

Рис. 4.21.

Однополупериодный выпрямитель.

Схема детектирования амплитудно-модулированного сигнала на экране программы TINA.

Если включить только один генератор VG1 и задать генерирование синусоидального напряжения с частотой 50 Гц, а затем подключить виртуальный осциллограф, то на рис. 4.22 можно увидеть процесс однополупериодного детектирования более подробно, чем на рис. 4.19. Однополупериодная схема, согласно названию, пропускает только один полупериод из двух.

А

Рис. 4.22.

Виртуальные осциллограммы работы однополупериодного детектора.

На рис. 4.13А ёмкость конденсатора

C₁ = 1 мкФ,

на Б и В – 10 и 100 мкФ соответственно.

В окне "X Source" видно, что осциллограф включён вместо
вольтметра VM1.

Если ёмкость 1 мкФ, то постоянная времени R₁ C₁ = 1 мсек. Это много меньше периода синусоиды T = 20 мсек. Форма выпрямленного напряжения почти повторяет положительные полупериоды входного сигнала. Если постоянная времени увеличивается до 10 и до 100 мсек, то наблюдается сглаживание.

Для изучения наглядной картины детектирования сигнала с двумя боковыми, без несущей, который называется DSB (см. рис. 3.3), включим два генератора с близкими частотами 1000 Гц и 1050 Гц. В спектре этого сигнала только две частоты.

Частоты, амплитуды и форму сигнала в программе TINA можно выбирать, кликнув мышкой по изображению детали. Детектор нагружен на сопротивление R₁ =1 кОм и ёмкость С₁ . Если вместо вольтметров на схеме включить виртуальный многолучевой осциллограф, то можно наблюдать за эволюцией формы продетектированного сигнала при разных значениях постоянной времени R₁ C₁ .

А

Рис. 4.23.

Детектирование DSB сигнала.

Постоянная времени τ определяется ёмкостью конденсатора С₁ .

А – τ = 1 кОм ∙ 3мкФ = 3 мсек,

Б – τ = 1 кОм ∙ 10 мкФ = 10 мсек,

В – τ = 1 кОм ∙ 50 мкФ = 50 мсек.

Б В

Периоды гармоник DSB сигнала около 1 мсек, период огибающей – 20 мсек. При постоянной времени R₁ C₁ = 3 мсек достигается оптимальное детектирование. При бόльших постоянных времени уже искажается задний фронт полупериодов огибающей.

Для выпрямления переменного тока часто применяется схема, которая называется "мостик Гретца" (рис. 4.24).

Рис. 4.24А.

Схема мостика Гретца.

В этой схеме при положительном полупериоде входного напряжения открываются диоды V2 и V4, а при отрицательном полупериоде – V1 и V3.

Рис. 4.24Б.

Схему чаще всего изготавливают в виде одной детали, у которой четыре вывода. Поэтому на схемах мостик обычно рисуют так, как на этом рисунке.

В результате получаются такие виртуальные осциллограммы:

А Б

С = 0.1 мкФ С = 1 мкФ

Рис. 4.25.

Частота генератора f = 2кГц, период T = 0.5 мсек. R = 1 кОм.

В Амплитуда U₀ = 20 В.

Постоянная времени RC:

А – 0.2 T, Б – 2 T, В – 20 T.

С = 10 мкФ

А Б

U_MAX = 20 В U_MAX = 5 В

Рис. 4.26 А, Б.

Результаты работы двухполупериодного выпрямителя, изображённого на рис. 4.16 при разной амплитуде входного напряжения. Ёмкость С = 0.

На рис. 4.26 Г изображены спектры входного и выпрямленного напряжений рис. 4.26 В.

В спектре выпрямленного напряжения есть только вторая гармоника входного!

Заметно, что некоторая часть входного напряжения теряется на диодах, которые, как мы уже знаем, открываются при напряжении около 0.5 - 0.7 В.

Рис. 4.26 В, Г .

В Г

Входное

напряжение

Выпрямленное

напряжение

U_MAX = 2 В

При помощи диодов можно удвоить и даже многократно умножить выпрямленное напряжение. Схемы простейшего удвоителя приведены на рис. 4.27 А.

А Б В

Рис. 4.27. Схема удвоителя напряжения.

При отрицательном полупериоде входного напряжения на рис. 4.27 Б диод V2 закрыт, а ток через диод V1 заряжает конденсатор C₁ до напряжения U.

При положительном полупериоде входного напряжения на рис. 4.27 В диод V1 закрыт, а источник входного напряжения и конденсатор С₁ включены последовательно. В результате конденсатор С₂ заряжается до напряжения 2U. Если таких звеньев включить много, то получится умножитель напряжения, например такой, как на рис. 4.28.

Рис. 4.28.

Умножитель напряжения.

Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон (Cockcroft, Walton) использовали подобный каскадный умножитель напряжения в исследованиях, за которые получили Нобелевскую премию по физике 1951 года с формулировкой: за "Трансмутацию атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц".

Менее известно, что принципиальная схема умножителя данного типа была разработана в 1919 году, швейцарским физиком Генрихом Грейнахером. По этой причине каскадный умножитель данного типа иногда называют умножителем Грейнахера.