Разработка фазового демодулятора для автоматического измерительного моста

Рубрика : 2 курс

Разработка фазового демодулятора для автоматического измерительного мостаКУРСОВАЯ РАБОТА

Разработка фазового демодулятора для автоматического измерительного моста.

Студента 2 курса факультета нелинейных процессов (версия в формате .doc)

Введение:

Любая измерительная система и система передачи данных предполагает кодирование и последующее декодирование информации. В радио технике для обозначении этих терминов используются понятия модуляции и демодуляции.

В современных радиосистемах передачи информации (СПИ) велика роль демодуляторов, поскольку, в основном, именно они определяют помехоустойчивость передачи информации.

Магистральными направлениями в совершенствовании демодуляторов в настоящее время являются использование цифровой обработки сигнала (ЦОС) и переход от аналогового сигнала к цифровому на промежуточной частоте.

Применение ЦОС даёт существенные преимущества по сравнению с традиционными аналоговыми решениями, основные из которых:

стабильность параметров обработки;

возможность автоматической адаптации к условиям приёма;

возможность создания универсальных демодуляторов как по тактовой частоте, так и по виду модуляции, структура которых определяется программой, а аппаратная часть остаётся без изменений.

Переход от аналогового сигнала к цифровому на промежуточной частоте позволяет исключить недостатки аналогового способа формирования квадратурных сигналов, такие как невысокие стабильность и линейность, неидентичность каналов, нарушение квадратуры, трудности фильтрации.

Использование современной элементной базы (цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)) в демодуляторах при реализации алгоритмов ЦОС позволяет снизить массу, габариты и цену устройства, существенно повысить его надёжность.

Максимальная тактовая частота сигналов, с которыми могут работать демодуляторы, реализованные с использованием ЦСП общего применения не превышает сотен кГц. Максимальная тактовая частота сигналов для демодуляторов, реализованных с использованием ПЛИС составляет десятки МГц.

Микроэлектронная элементная база стремительно развивается, что позволяет упростить разработку, уменьшить объём и энергопотребление, улучшить характеристики демодуляторов. Появились микросхемы усилителей промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом передачи, микросхемы формирователей квадратурных сигналов, микросхемы прямого синтеза частот, быстродействующие широкополосные АЦП и, что следует отметить особенно, специализированные сигнальные процессоры.

При стремительном росте современных мегаполисов трудоустройство, например, в Москве http://jobsic.ru/ не должно вызывать трудностей в поиске работы.

Производители специализированных интегральных схем (в частности, фирмы Intersil и Graychip) предлагают наборы специализированных сигнальных процессоров, предназначенных для построения высококачественных высокоскоростных демодуляторов сигналов. В их состав входят функциональные блоки, с помощью которых можно реализовать те или иные алгоритмы ЦОС. Это прежде всего фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ) (в том числе, фильтры с децимацией или интерполяцией), а также интеграторы со сбросом, квадратурные перемножители, управляемые генераторы отсчётов синуса и косинуса, устройства перехода с одной частоты дискретизации на другую с применением интерполяционных фильтров (в зарубежной литературе такие устройства получили название “Resampler”), детекторы уровня сигнала, петли автоматического регулирования усиления (АРУ), детекторы и фильтры петель синхронизации по несущей и тактовой частотам, индикаторы захвата, устройства поиска сигнала по несущей частоте, формирователи мягкого решения для декодирования помехоустойчивых кодов. Конфигурация специализированных сигнальных процессоров и параметры их функциональных блоков определяются программой.

В автоматических измерительных системах иногда применяется модуляция измеряемого параметра (например ёмкости). Поэтому для получения управляющей команды требуется примените демодуляцию. По имеющийся информации модуляция приводит к выходному сигналу в виде прямоугольных импульсов, фаза которых зависит от направления рассогласования. Целью данной работы является поиск оптимального решения схемы таково фазового демодулятора.

Поскольку требуется обработка прямоугольных импульсов, целесообразно применить элементы цифровой техники.

Теоретические основы

Схема “И”  является универсальным базовым блоком, выполняющий логические функции.

Схема “И” может применяться в качестве модулятора. Рассмотрим основные принципы построения модуляторов и демодуляторов.

Модулятор может иметь высокую линейность лишь по одному  (модуляционному) входу. Второй вход (вход несущей) может запитываться переменным напряжением с постоянной амплитудой, причем уровень несущей может быть достаточно большим и вырождаться в функцию коммутации SН(t) (рис. 1,а).

Физически Это означает, что активные элементы модулятора при высоком уровне входного сигнала превращаются в синхронные ключи, при этом модулирующий сигнал UM (t) (рис. 1,б) эффективно коммутируется с частотой несущей SН(t), образуя выходной сигнал в виде (рис. 1,в).

(1)

Рис. 1. Диаграммы, поясняющие работу БМ  при воздействии функции коммутации

Таким образом, при использовании модулятора в режиме сильных сигналов один из сигналов (несущая) представляет собой симметричную прямоугольную волну единичной амплитуды SН(t) (рис. 1, а) первая гармоника которой  является полезной, а другие – нежелательны.

Используя разложение Фурье, несущую SН(t) можно представить в виде суммы членов бесконечного гармонического ряда с частотами кратными

где коэффициенты Фурье вычисляются по формуле

В случае для первой гармоники выходного напряжения (1) можно записать

(2)

где UН – напряжение колебания ограниченной несущей.

Рис. 2. Схема модулятора на аналоговом перемножителе.

Если на модулирующий вход подать сигнал с постоянной составляющей

(3)

где U0 – напряжение постоянной составляющей; UM и  - амплитуда и частота модулирующего напряжения; m=UM/U0, то на выходе модулятора в соответствием с выражением (2) будет получен амплитудно-модулированный сигнал

(4)

где  - уровень несущей амплитудно-модулированного сигнала.

При использовании демодулятора в режиме фазового детектирования (рис. 3) на входы перемножитель сигнала подают напряжения одной и той же частоты, но со сдвигом фаз на угол . Пусть один из сигналов будет , а второй , тогда на выходе БМ получим

(5)

Рис. 3. Фазовый демодулятор

Если с помощью ФНЧ отфильтровать составляющую с удвоенной частотой, то на выходе фазового демодулятора получим постоянное напряжение, пропорциональное косинусу угла .

(6)

Схема “И”

X1

X2

Y

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

1

таблица 1

Логическая операция “И” для двух переменных X1 и X2 представляется как X1∙X2=Y, т. е. Y=1 только в том случае , когда X1=1 и X2=1 (если X1 истинно и X2 истинно, тогда Y истинно). Утверждение «истинно» принято отождествлять с состоянием 1 и противоположное утверждение отождествлять с состоянием 0 в цифровой схеме. В соответствии с этим таблица для операции “И”, охватывающая все возможные комбинации переменных X1 и X2 и соответствующей переменной Y, показана в таблице 1.

Работа микросхемы “И” проанализирована с помощью программы EWB

Которая позволяет установить взаимозависимости между входными сигналами с разными параметрами.

Практическая часть

Если рассмотреть временные масштабы кратности (2 в степени n) то можно видеть что в “серии” помещается не целое число импульсов. Экран осциллографа наглядно показывает ошибку вычисления длинны серии, т к присутствующий не целый импульс ( импульс не вошедший целиком в серию) считываться счётчиками будет как целый. Значит увеличивая частоту генератора высокочастотных импульсов ошибка будет стремиться к 0.

В нашей схеме, схема “и” открывает генератор прямоугольных импульсов ” y ” и задача стоит в том что бы посчитать количество импульсов выбираемых генератором “x” прошедших через элемент “и” пока он был открыт генератором “y”.

На этих схемах экраны осциллографов показывает целые пачки импульсов, значит при генерировании импульсов на  первом генераторе 50 (100) а на втором 1000 ошибка будет 5 (10)%.

Заключение

В результате проделанной работы:

Цель работы увязана с теоретическими предпосылками кодирования и декодирования информации.

Была освоена программа  компьютерного моделирования электронных схем  EWB.

Проанализирована работа демодулятора на основе цифровой микросхемы “И” в разных режимах.

Литература

1.                Свирид  В.Л. Микросхемотехника аналоговых электронных устройств: Учеб. Пособие для радиотехн. спец. вузов. – Дизайн ПРО, 1998. – 256с.

2.                Свирид  В.Л. Проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. Пособие по курсу “Микросхемотехника”: В 4 ч. Ч.2: Методология, основы метрологии, проектирование и расчет электронно-управляемых образцовых проводимостей. – Мн.: БГУИР, 1994. – 76 с.

3.            Свирид  В.Л. Экспериментальная микросхемотехника: Лаб. Практикум по курсу “Микросхемотехника ”: В 3 ч. Ч. 1: Исследование дифференциальных и операционных усилителей. – Мн.: БГУИР, 1995. – 61 с.

4.            Свирид В.Л. Электронно-управляемые фазовращатели // Новые информационные технологии в науке и производстве: Материалы международ. науч. -техн. конф. – Мн.: БГУИР, 1998. – С. 189-192.

5.            Свирид  В.Л. Прецизионные источники опорного напряжения на основе полевых транзисторов // Радиотехника и электроника. – Мн.: ЗАО “Юникап”, 1999. – Вып. 24. – С.150-156.

6.            Свирид В.Л. Метод линеаризации и термостабилизации характеристик нелинейных элементов // Радиотехника – М.: ВНТОРЭиС им. А.С. Попова, 1991. – N11. – С. 56 – 58.


Хотите получать материалы на e-mail?