Предложен способ и схема подавителя шума балансного типа. Входной зашумленный сигнал подается на вход повторителя (усилителя) напряжения и, одновременно, на вход инвертора (усилителя), с выхода которого сигнал поступает на узкополосный фильтр. Выходные сигналы этих каскадов смешиваются в определенной пропорции на сопротивлении нагрузки, в итоге выходные противофазные шумовые сигналы взаимно подавляются, а на выходе устройства выделяется полезный сигнал.
Для подавления шума усилительных устройств известно большое разнообразие различных методов и средств [1,2]. В частности, это индивидуальный подбор малошумящих элементов во входных цепях усилительных устройств, сужение рабочий полосы пропускания, снижение температуры входных цепей до температуры жидкого гелия, использование пороговых устройств, отсекающих сигналы с малой амплитудой, подавление шумов в паузах потока информации и многое другое.
В настоящей работе для подавления шума использовано противофазное сложение двух сигналов, один из которых инвертирует фазу входного сигнала, а второй без изменения фазы пропускается через узкополосный фильтр, Рисунок 1. К выходам инвертора (инвертора-усилителя) и узкополосного фильтра подключен потенциометр, позволяющий сбалансировать устройство и тем самым подавить шумовой сигнал на его выходе.
 |
|
| Рисунок 1. | Основные узлы балансного подавителя шума. |
На Рисунке 2 показана схема источника тестовых сигналов, используемого для проверки работы балансного подавителя шума. На вход испытуемого устройства переключателями SA1 и SA2 можно подавать сигналы как от источника полезного сигнала, так и от генератора белого шума, а также сигнал, представляющий смесь полезного сигнала и шума.
 |
|
| Рисунок 2. | Источник тестовых сигналов, позволяющий подавать на вход балансного подавителя шума полезный сигнал (c), шумовой сигнал (ш), либо их смесь (ш+с). |
Электрическая схема балансного подавителя шума показана на Рисунке 3. Инвертор напряжения выполнен на операционном усилителе DA1.1 микросхемы LM324. На элементе DA1.2 этой же микросхемы выполнен узкополосный фильтр на двойном Т-образном мосте. К выходам операционных усилителей подключен потенциометр R4, позволяющий сбалансировать эту своеобразную мостовую схему подавителя шума.
 |
|
| Рисунок 3. | Электрическая схема балансного подавителя шума. |
На Рисунке 4 показаны осциллограммы сигналов, раздельно снимаемых с выхода инвертора напряжения, а также с выхода фильтра до балансировки устройства. При подаче на вход устройства полезного сигнала амплитудой 500 нВ частотой 1 кГц и, одновременно, шумового сигнала, визуально выделить на осциллограмме полезный сигнал, снимаемый с выхода инвертора, не представляется возможным. В то же время полезный сигнал с выхода фильтра, отчетливо выражен, однако заметно зашумлен.
 |
|
| Рисунок 4. | Осциллограммы сигналов, снимаемых с выходов инвертора напряжения и фильтра при подаче на вход устройства смешанного (ш+с) шумового и полезного (с) сигнала частотой 1 кГц и амплитудой 500 нВ. |
При балансировке схемы на выходе устройства полезный сигнал в значительной мере очищен от шумовой составляющей, и амплитуда его достигает 5 мкВ, Рисунок 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Осциллограммы входного сигнала, содержащего смесь (ш+с) шумового и полезного сигнала на частоте 1 кГц амплитудой 500 нВ, и сигнала на выходе балансного подавителя шума. |
При дальнейшем повышении уровня полезного сигнала до 5 мкВ на осциллограмме, Рисунок 6, отчетливо заметен сильно зашумленный входной сигнал синусоидальной формы. При использовании балансного подавителя шума выходной сигнал амплитудой 50 мкВ имеет практически идеальную синусоидальную форму.
 |
|
| Рисунок 6. | Осциллограммы входного сигнала, содержащего смесь (ш+с) шумового и полезного сигнала (частота 1 кГц, амплитуда 5 мкВ), и сигнала на выходе балансного подавителя шума. |
На Рисунке 7 показана реакция устройства при подаче на его вход шумового и амплитудно-модулированного (АМ) сигнала частотой 1 кГц и амплитудой 1 мкВ; частота модуляции 100 Гц, глубина модуляции 100%.
 |
|
| Рисунок 7. | Осциллограммы входного сигнала, содержащего смесь (ш+с) шумового и амплитудно-модулированного полезного сигнала, а также сигналов на выходе фильтра и выходе балансного подавителя шума. |
На Рисунке 8 приведена схема балансного подавителя шума с использованием LC-фильтра [3], выполненного на операционном усилителе DA1.2 микросхемы LM324. Фильтр настроен на частоту 10 кГц. При уровне входного полезного сигнала 100 нВ и при уровне шумового сигнала того же порядка, как и ранее, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) выходного сигнала меняется от 6 до 10%; при входном сигнале 1 мкВ КНИ = 0.6...1.0% и при входном сигнале амплитудой 10 мкВ КНИ = 0.07...0.10%.
 |
|
| Рисунок 8. | Балансный подавитель шума с использованием LC-фильтра на частоту 10 кГц. |
В шумоподавителе допустимо использовать операционные усилители AD704, CA0358, EL2210, HA3-4741, LF347, LM324, OP249, TL022, TL064, TL084, TLV2444 и др.
Балансные подавители шума можно адаптировать для работы в области более высоких частот, однако для этого потребуются высокочастотные активные элементы, а также дополнительная балансировка фаз сигналов.
Литература
- Никитин Н.П., Лузин В.И. Устройства приема и обработки сигналов. Системы управления приемником. Устройства борьбы с помехами. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 88 с.
- Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. М.: Мир, 1979. 318 с.
- Шустов М.А. LC- и RC фильтры с регулируемой полосой пропускания. Радиомир. 2009. № 6. С. 6–7.
Купить LM324 на РадиоЛоцман.Цены
