6.2.4 Схемы включения параметрических преобразователей как схемы ам - модуляции

Практически АМ – модуляция всегда реализуется при построении потенциометрических и мостовых схем включения параметрических преобразователей при их питании переменным током.

Рассмотрим простой пример. Имеется ёмкостный преобразователь малых перемещений (рис. 6.8). Преобразователь состоит из двух пластин, одна из которых (1) неподвижна, а вторая пластина (2) жестко связана со штоком преобразователя и перемещается вместе с ним. Эти две пластины образуют конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин и расстояния между ними:

,

где S – площадь пластин,

d – расстояние между пластинами,

- диэлектрическая постоянная.

Расстояние между пластинами d равно сумме некоторого начального значения и измеряемого перемещения штока преобразователя. Это перемещение и является в данном случае первичным сообщением. Таким образом,и поэтому

.

Этот конденсатор включается последовательно с резистором, имеющим сопротивление R, и схема, состоящая из сопротивления R и емкости , питается переменным напряжением. Ток, протекающий в цепи, составляет:

.

Напряжение, снимаемое с сопротивления R, является выходным сигналом и, без учета фазовых искажений, может быть записано в виде:

.

Подставляя сюда выражение для емкости конденсатора через первичное сообщение и параметры преобразователя, получим окончательно:

.

Раскладывая полученное выражение в степенной ряд относительно получаем в линейном приближении:

.

Если теперь ввести обозначения:

,

то выходной сигнал примет вид, характерный для АМ – сигнала:

Таким образом, потенциометрическая схема включения емкостного преобразователя обеспечивает амплитудную модуляцию измеряемого, переменного во времени перемещения , на несущей частоте, равной частоте напряжения питания потенциометрической схемы.

6.2.5 Демодуляция ам - сигналов

Теперь посмотрим, как из АМ – сигнала можно восстановить первичное сообщение, то есть получить сигнал постоянного тока, пропорциональный первичному сообщению.

Простейший способ демодуляции основан на использовании двухполупериодной схемы выпрямления сигнала. В результате такого выпрямления появляется сигнал, пропорциональный модулю исходного АМ – сигнала. Он состоит из косинусоидальных импульсов, которые теперь нужно пропустить через фильтр нижних частот, который сгладит эти импульсы.

После сглаживания в составе сигнала останется низкочастотная составляющая, пропорциональная первичному сообщению, и шум демодуляции, представляющий собой колебания с основной частотой, равной удвоенной частоте носителя, не до конца подавленные фильтром низких частот. Кроме того, имеют место и искажения сигнала, связанные с особенностями частотных характеристик фильтра.

На рис. 6.9 представлены графики, иллюстрирующие работу такого демодулятора. На рисунке последовательно представлены графики коротких фрагментов:

а) первичного сообщения ,

б) АМ сигнала на несущей частоте 2000 Гц,

в) сигнала w(t), получаемого в результате двухполупериодного выпрямления АМ – сигнала, и результата w(t) сглаживания предыдущего сигнала RC - фильтром нижних частот 1-го порядка с постоянной времени T=RC=0.001 c. После смещения нуля на 0,643В и усиления в 6 раз получается сигнал(см. рис. 6.9), который уже очень близок к первичному сообщению, но отстает от него примерно на 0,0009 с. На рис. 6.10 представлен фрагмент графика изменения погрешности детектирования на том же интервале времени (0,73 – 0,74 с), построенный с учетом этого временного запаздывания.

Для устранения шума можно использовать более изощренные фильтры, нежели примененный в данном примере фильтр 1-го порядка.

При наличии перемодуляции или при использовании амплитудной модуляции с подавленной несущей описанный алгоритм демодуляции неприемлем, поскольку огибающая АМ – сигнала (рис. 6.11-В) после выпрямления (рис. 6.11-С) уже не будет повторять форму первичного сообщения (рис. 10А)

В этих случаях используется другой алгоритм – алгоритм синхронного детектирования. Реализующие его электронные схемы также называются синхронными детекторами.

Сущность синхронного детектирования заключается в следующем.

1. АМ – сигнал, например, сигнал с подавленной несущей

умножается на опорное колебание

.

В результате перемножения получается сигнал

который содержит в себе:

- первичное сообщение, увеличенное в раз,

- быстро изменяющееся колебание с частотой, в два раза превышающей частоту несущего сигнала (кривая на рис. 6.11-D).

2. Далее полученный сигнал подвергается низкочастотной фильтрации. В результате получается нечто, похожее на первичное сообщение (кривая, примерно вдвое меньшего размаха на рис. 6.11-D). После усиления сигнала в раз получается первичное сообщение, но содержащее в себе останки несущего колебания, которые образуют шум демодуляции.

Следует также помнить, что фазовые искажения, сопутствующие низкочастотной фильтрации, приводят к запаздыванию выходного сигнала синхронного детектора относительно первичного сообщения. Если используется простейший RC- фильтр первого порядка (апериодическое звено первого порядка), выходной сигнал будет запаздывать на время, примерно равное постоянной времени фильтра .

При синхронном детектировании возможно возникновение еще двух погрешностей:

• при несовпадении фаз несущего колебания и опорного колебания, используемого для детектирования, уровень демодулированного сигнала уменьшается пропорционально косинусу разности фаз,

• при несовпадении частот несущего колебания и опорного колебания, используемого для детектирования, на демодулированный сигнал накладываются биения с частотой, равной разности частот этих колебаний.

Для обеспечения синхронности и синфазности несущего и опорного сигналов используются специальные схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которые изучаются в курсе электроники.