Описание исследуемого объекта
Преобразовательными устройствами называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют измерения регулируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на управляемый объект. Эти элементы являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентными преобразованием величины одной физической природы в форму, удобную для формирования управляющего воздействия или с целью согласования корректирующих устройств, используемых в общем контуре системы.
Для преобразования сигналов постоянного тока в переменный в системах автоматического управления используется модулятор. Амплитуда переменного напряжения на выходе модулятора пропорциональна величине входного сигнала, а фаза определяется полярностью входного сигнала в зависимости от фазы опорного напряжения.
В случае, когда необходимо преобразовать переменный сигнал в постоянный, используется демодулятор. В основном этот элемент используется в системах автоматического управления при введении в контур корректирующего звена, которое обычно работает на постоянном токе. Выходное напряжение демодулятора пропорционально величине амплитуды входного сигнала переменного тока, а его полярность определяется фазой входного и опорного напряжения.
Существуют различные виды модуляторов и демодуляторов: электромеханические, полупроводниковые – диодные и транзисторные, на электронных лампах и магнитные. Каждая из перечисленных групп имеет свои достоинства и недостатки.
В данной лабораторной работе исследуются три схемы модуляторов и демодуляторов: на транзисторах, работающих в ключевом режиме, на операционном усилителе и на полевых транзисторах.
Основными характеристиками модулятора и демодулятора являются следующие:
Коэффициент передачи (преобразования).
Для модулятора это отношение амплитуды первой гармоники выходного напряжения к величине входного напряжения:
Для демодулятора – отношение постоянной составляющей входного напряжения к действующему значению входного напряжения
, где
.
Линейность и симметричность характеристик при изменении полярности (фазы) входного напряжения.
Принцип действия двухполупериодного модулятора и демодулятора на транзисторах
Принципиальная схема демодулятора представлена на рис.2.1.
Т1
Т2
R1
R2
+
(-)
Uвых
~Uвх
(-)
+
Б
А
Rн
R3
R4
+
(-)
(-)
+
Т3
(+)
-
(+)
-
(-)
+
(-)
+
Т4
Тр
вх.
Тр
оп.
~Uоп
Рис.2.1
В схеме используются низкочастотные полупроводниковые транзисторы, которые работают в ключевом режиме.
При подаче отрицательной полуволны опорного напряжения на базы транзисторов Т1 и Т2 они отпираются. Сопротивление цепи эмиттер-коллектор становится близким к нулю, в следствии чего ток свободно проходит через транзисторы Т1 и Т2 и в нагрузке RН течёт от точки А к точке Б. В это же время положительная полуволна опорного напряжения подаётся на базы транзисторов Т3 и Т4. Они остаются в запертом состоянии, и сопротивление цепи эмиттер-коллектор очень большие. Ток практически через них не проходит.
В следующий полупериод опорного напряжения рабочими будут транзисторы Т3 и Т4. Ток в нагрузке будет по прежнему протекать от точки А к точке Б.
Таким образом, демодулятор преобразовывает переменный ток в постоянный. При изменении фазы входного напряжения относительно опорного рассуждая таким же образом, мы заметим, что ток в нагрузке будет протекать от точки Б к точке А, т.е. изменится полярность выходного напряжения.
Принцип действия модулятора-демодулятора на операционном усилителе.
Принципиальная схема модулятора-демодулятора приведена на рис.2.2. Схема может работать в двух режимах.
U
R1
А1
2
T1
t
3
R4
R2
R3
1
Рис.2.2
Рис.2.3
В режиме “модулятор” на вход 1 операционного усилителя А1 подаётся постоянное напряжение. На вход 2-затвор полевого транзистора Т1 подаётся опорное напряжение, которое имеет форму, показанную на рис.2.3. При положительном потенциале на затворе полевого транзистора Т1 последний будет находиться в открытом состоянии и шунтировать неинвертирующий вход операционного усилителя.
Коэффициент передачи операционного усилителя в данном случае определится выражением:
.
Так как R4 выбирается равным R1, то коэффициент передачи K = -1.
При нулевом потенциале на затворе транзистор Т1 будет закрыт, и сопротивление сток-исток транзистора будет равно бесконечности. Операционный усилитель окажется включенным по дифференциальной схеме. В этом случае коэффициент передачи усилителя определится выражением
.
Таким образом, при постоянном напряжении на входе модулятора, на его выходе будет формироваться переменное напряжение, меняющееся с частотой опорного напряжения.
В режиме “демодулятор” на вход 1 операционного усилителя А1 подаётся переменное напряжение. На входе 2 то же переменное опорное напряжение. При совпадении фазы входного и опорного напряжений на выходе 3 демодулятора будет отрицательное постоянное напряжение. Если входное и опорное напряжение находятся в противофазе, то на выходе демодулятора появится положительное постоянное напряжение.
Принцип действия модулятора-демодулятора на полевых транзисторах
Принципиальная схема модулятора-демодулятора приведена на рис.2.4. Схема также может работать в двух режимах.
Roc
Uoп
R
R
Uвх
Rвх
Rc
з
з
с
и
с
и
Rн
Uвых
Рис.2.4
В режиме “модулятор” на стоки полевых транзисторов Т1 и Т2, имеющих разные типы проводимости каналов, подаются одинаковые по величине, но разные по полярности постоянные входные напряжения.
На затворы полевых транзисторов подаётся опорное напряжение, которое поочерёдно открывает один из них, что приводит к протеканию через нагрузку переменного напряжения.
В режиме “демодулятор” на стоки полевых транзисторов подаётся переменное напряжение. Благодаря наличию инвертирующего усилителя, напряжение на стоках транзисторов всегда находятся в противофазе. В зависимости от фазы опорного напряжения через нагрузку демодулятора будет протекать ток в прямом или обратном направлении.