Четырехквадрантный синхронный усилитель генерирует квадратурные сигналы

Компактный четырехквадрантный аналоговый усилитель в режиме насыщения генерирует два цифровых квадратурных сигнала.

В этой схеме простой и недорогой синхронный усилитель сделан на основе микросхемы балансного модулятора/демодулятора AD630 фирмы Analog Devices. Изготавливаемая с использованием лазерной подгонки номиналов резисторов, микросхема обладает высокой точностью и стабильностью параметров. Микросхема применяется в схемах, выполняющих сложную обработку сигналов и, в частности, в синхронных детекторах. Если известны амплитуда и фаза сигнала, усилитель может детектировать слабые сигналы даже на фоне помех, намного превышающих сигнал по амплитуде.

В режиме аналогового перемножителя AD630 позволяет выделять напряжение входного сигнала в узкой полосе вблизи частоты опорного сигнала. С помощью фильтра нижних частот на выходе AD630 можно извлечь информацию об амплитуде слабого сигнала, не коррелирующего с маскирующим его сигналом помехи. Когда фазы сигнала и опорного напряжения совпадают, на выходе фильтра нижних частот V_OUT амплитуда напряжения максимальна. И наоборот, при сдвиге фаз 90°, на выходе фильтра, в идеале, напряжение будет равно нулю. Таким образом, при наличии как синфазного, так и квадратурного опорных сигналов, с помощью двух балансных демодуляторов из слабого сигнала можно извлечь синфазную и квадратурную компоненты. Модуль и сдвиг фаз можно вычислить по формулам:

В схеме на рис.1 на входы двух перемножителей AD630 с коэффициентом передачи ±2 поступают сигналы от двух одинаковых усилителей A₁ и A₂, усиливающих сигнал V_IN. На выводе 7 микросхемы IC₁ фаза формируется биполярный прямоугольный сигнал с размахом ±5 В, совпадающий по фазе с опорным сигналом. Интегратор на операционном усилителе OA₁ формирует треугольные импульсы, которые компаратором IC₂ сравниваются с напряжением V_R2. Следует отрегулировать V_R1 и V_R2 так, чтобы на выводе 7 микросхемы IC₂ добиться точного сдвига фазы сигнала на 90°. Точность и повторяемость измерений в большой степени зависят от постоянной времени RC цепочки интегратора и уровней напряжений V_R1 и V_R2.

 

Рисунок 1. В результате интегрирования биполярных импульсов VA, на выходе OA1 образуется сигнал треугольной формы. VR1 и VR2 – опорные напряжения, сдвинутые относительно VA на 90°.

 

Надписи на схеме
0° REFERENCE	Опорный сигнал 0° (синфазный)
90° REFERENCE	Опорный сигнал 90° (квадратурный)

Синфазный и квадратурный опорные сигналы можно получить различными способами. На рис.2 приведен вариант полностью цифровой схемы на небольшой ПЛИС, генерирующей опорные сигналы для схемы на рис. 1. Счетчик Counter 1 измеряет длительность опорного сигнала в единицах тактовых импульсов N. Он получает команду перезагрузки в состояние N₁=1 по каждому положительному фронту опорного сигнала. Эти импульсы вырабатывает D-триггер IC₁. В свою очередь, по каждому положительному фронту опорного сигнала, в IC₂ заносится значение N/4. В тоже время, счетчик Counter 2 подсчитывает число периодов тактовых импульсов и получает команду перезагрузки при N₂=1, когда число в счетчике совпадает с числом N/4 в компараторе.

 

Рисунок 2. Эта полностью цифровая схема может быть выполнена на небольшой ПЛИС

 

Надписи на схеме
REFERENCE	Опорный сигнал
0° REFERENCE	Опорный сигнал 0° (синфазный)
90° REFERENCE	Опорный сигнал 90° (квадратурный)
COUNTER	Счетчик
RANGE	Диапазон
REGISTER	Регистр
COMPARATOR	Компаратор
Примечание переводчика. Сигнал EQ, ссылки на который имеются в тексте, вырабатывается компаратором на выходе A=B

Чтобы компенсировать отсутствие последнего импульса EQ в случае, когда опорное время примерно в четыре раза больше целой части N/4, в схему введен элемент «исключающее ИЛИ», на входы которого подаются импульсы RST и EQ. На выходе этого элемента за каждый период опорного сигнала образуются четыре импульса с почти одинаковыми расстояниями между передними фронтами. Целочисленное деление N/4 и логический сдвиг N₁ вправо на 2 разряда, дают ошибку в определении позиции последнего импульса не более 3. Из этих импульсов, путем простых объединений положительных и отрицательных фронтов, формируются синфазный и квадратурный сигналы. Микросхема T-триггера IC₃ генерирует сигнал с удвоенной частотой опорного сигнала. Таким образом, точность равна 3/N₁.

Чтобы получить точность, хотя бы соизмеримую с точностью AD630, код N₁ на выходе счетчика Counter 1 должен иметь наибольшую длину. Однако, увеличение разрядности повлечет за собой уменьшение максимальной частоты опорного сигнала для выбранной частоты синхрогенератора. Например, если N = 15 бит, максимальное значение N₁ может быть 32767, и точность порядка 0.01%. При уменьшении периода опорного времени и минимальном значении 3277, – одной десятой максимального значения N₁, точность понизится до 0.1% и станет сравнимой с точностью AD630. Чтобы увеличить опорную частоту, нужно делить частоту синхрогенератора, чтобы выбирать более низкие значения, когда опорное время становится слишком большим.