3.7. Фазочувствительные детекторы

Фазочувствительные детекторы называют так же фазочувствительными демодуляторами и синхронными детекторами.

Этот класс детекторов на своем выходе вырабатывает сигналы среднее значение которых пропорционально сдвигу фаз между опорным, чаще всего прямоугольным сигналом и исследуемым сигналом. Такие схемы используются в реографии, для подавления помех, вызываемых паразитными емкостями, для выпрямления сигналов, получаемых с линейных дифференциальных трансформаторов и др.

Принцип работы фазочувствительного детектора может быть проиллюстрирован с помощью схемы с управляемым ключем (рис. 3.24).

З

U_Y

десь принята следующая логика управления. При положительном импульсе U_Y ключ S находится в верхнем положении. При отсутствии импульса U_Y – в нижнем.

Рис. 3.24. Схема простейшего фазочувствительного детектора и временные диаграммы его работы

Тогда, если управляющий и входной сигналы U¹_вх сигналы совпадают по фазе, то положительная полуволна входного сигнала поступает на выход (U¹_вых) без изменения, а при отрицательной полуволне ключ S находится в нижнем положении меняя полярность выходного сигнала, Нетрудно убедиться, что при нулевом сдвиге фаз среднее выходное напряжение на выходе схемы будет положительным и максимально.

При сдвиге фаз U_вх относительно U_Y среднее напряжение U_вых начинает уменьшаться и при сдвиге на 90⁰ станет равным нулю, что демонстрируют временные диаграммы U²_вх и U²_вых рис. 3.24.

При сдвиге до 180⁰ на выходе получается максимальное отрицательное среднее напряжение.

Таким образом, среднее выходное напряжение в приведенной схеме пропорционально сдвигу фаз между U_Y и U_вх.

В практических схемах в качестве ключа часто используют аналоговые коммутаторы. Пример использования такого коммутатора в тетраполярном реографе показан на рис. 3.25.

Зондирование биообъекта переменным током высокой частоты создаваемым генератором Г (диаграммы U_г) производится через токовые электроды ТЭ1 и ТЭ2. Пройдя через биообъект, ток сдвинутый на фазе реактивными элементами биообъекта снимается измерительными электродами UЭ1 и UЭ2 и через конденсаторы С1 и С2 и трансформатор Т поступает на входы симметричных усилителей инверторов А1 и А2.

Рис. 3.25. Схема и временные диаграммы работы фазочувствительного детектора тетраполярном реографа

Усилители служат для повышения входного сопротивления усилительного канала, которое ограничивается сопротивлением обмотки трансформатора и частотой работы генератора зондирующего тока. На выходе операционных усилителей формируется модулированный внутренними структурами организма высокочастотный сигнал. Временные диаграммы напряжений на выходе одного из них (А1), при различных сдвигах фаз U_г и напряжения, снимаемого с измерительных элементов, приведена на рис. 3.25 (U¹_А1 и U²_А1).

Фазочувствительный демодулятор (синхронный детектор) выполнен на аналоговых коммутаторах АК1 и АК2, управляемых прямым U_Ф и инверсивным сигналами формирователя импульсов (ФИ) зондирующего тока (временная диаграмма U_Ф на рис. 3.25).

Если фаза сигнала с выхода операционных усилителей совпадает с фазой зондирующего тока, что соответствует отсутствию реактивной составляющей в измеряемом сопротивлении биообъекта, то аналоговые коммутаторы пропускают на свой выход полуволны входного сигнала без искажений (полностью) (диаграмма U¹_АК1, рис. 3.25). При наличии реактивной составляющей в измеряемом сопротивлении между сигналами U_г и U_А1 появляется сдвиг фаз и аналоговые коммутаторы начинают «срезать» часть своего входного сигнала (диаграмма U²_АК1), причем чем больше реактивная составляющая, тем меньшая часть входных сигналов пропускается на выход АК. Это приводит к тому, что амплитуда выходного сигнала после детектора и фильтра низких частот (Д и ФНИ) будет зависеть не только от амплитуды сигнала, снимаемого с биообъекта, но и от сдвига фаз между зондирующим и регистрируемым напряжением, что соответствует логике работы реографа.