Archiwum. Automatyzacja realna czyli nieznana. 8 Detektor synchroniczny.
Detektor synchroniczny dla sygnałów o niewielkiej częstotliwości stosujemy tu w:
- Systemie pomiarowym z sensorem LVDT i z pochodnymi quasi mostkowymi sensorami indukcyjnymi
- W cyfrowym systemie pomiarowym Resolvera ( Selsyn i Inductosyn ) ze śledzącym obserwatorem
- Układzie pomiarowym dla Flux Gate dla 2 harmonicznej z FG proporcjonalnej do mierzonego słabego pola magnetycznego.
- Elektromagnetycznym przepływomierzu.
- W układzie Sensora Magnetostrykcyjnego wykorzystującego odwrotne zjawisko magnetostrykcji czyli efekt Villariego
- Chopperowym OPA do termopar o małej czułości.
Detektor synchroniczny ( prosty układ mnożący z „długą” parą tranzystorów ) dla sygnałów o częstotliwości radiowej zastosowano tu w śledzącym systemie pomiarowym z różnicowym pojemnościowym sensorem kąta.
Detektor synchroniczny zachowuje informacje o fazie zawarte w demodulowanym sygnale. Podany jest do niego zmodulowany sygnał i (odtworzona, czasem z przesunięciem fazy ) fala nośna.
-Sygnały różnicowe kolorów R-Y i B-Y w telewizyjnych systemach kodowania koloru PAL i NTSC odtwarzają demodulatory synchroniczne. W układach monolitycznych są stosowane układy mnożące Gilberta
-W monolitycznym układzie detektora koincydencyjnego FM stosowany jest powszechnie układ mnożący (jako detektor fazy ) Gilberta z przesuwnikiem fazy z obwodem rezonansowym LC. To detektory sygnałów różnicowych kolorów R-Y i B-Y w telewizyjnym systemie dekodowania koloru Secam oraz detektory fonii FM dla radioodbiorników UKF FM i TVC. Trwają prace nad demodulatorem FM z układem PLL bez strojonego obwodu LC ale na razie za duże są szumy. Rezygnacja z obwodu LC i jego strojenia da wszechstronne duże korzyści.
-W telewizji dla sygnału Video stosowana jest modulacja amplitudowa VSB czyli Vestigal Side Band. Pozwala ona ekonomicznie dysponować pasmem radiowym które jest cennym dobrem rzadkim a jednocześnie można było stosować w odbiorniku TV ( ale nie TVC ) prosty prostownik / demodulator diodowy. Ale dla złożonego sygnału telewizji kolorowej jakość demodulacji detektorem diodowym w TVC jest niedostateczna i w układach scalonych "procesorów" IF do demodulacji zastosowano układ mnożący Gilberta ( to pracownik Analog Devices ) jako detektor synchroniczny. Układ Gilberta pracuje dobrze do częstotliwości ca <1/8 Ft użytych tranzystorów i obecnie jest już stosowany w mieszaczach - heterodynach głowic TVC na zakres VHF- UHF. Ten układ mnożący jest też prostym detektorem fazowym w systemie PLL.
Rekonstrukcje fali nośnej bardzo dobrze w takim demodulatorze VSB wykonuje pętla fazowa PLL gdzie kolejny detektor synchroniczny ( znów układ mnożący Gilberta ) jest demodulatorem fazy !
-Detektor synchroniczny na zakresy mikrofalowe stosuje diody Schottky.
-Detektory fazy stosuje się w demodulatorach fazy sygnałów cyfrowych.
Tam gdzie dotychczas stosowano przy małych częstotliwościach nośnej detektor synchroniczny ( z dalszym filtrem dolnoprzepustowym ) można w systemie z wydajnym procesorem go ominąć.
W systemie pomiaru amplitudowego resolvera jednocześnie próbkowane są przez ADC w szczycie sinusoidalnego napięcia zasilającego resolver oba napięcia z uzwojeń SIN i COS. Z ilorazu tych napięć wyliczany jest funkcją arkustangens mierzony kąt.
Tak samo w szczycie sinusoidalnego napięcia zasilającego sensor LVDT można próbkować ADC jego napięcie wyjściowe.
Systemy z próbkowaniem sygnału są siłą rzeczy szerokopasmowe i walka z szumami, zakłóceniami i zniekształceniami jest trudna.
Układ mnożący lub kluczujący (jeden sygnał jest tu prostokątny czyli binarny ) to najprostszy detektor fazy do pętli fazowej PLL. Dla obu sygnałów binarnych jest to bramka EXOR (TTL - 7486 ). Charakterystyka wyjściowa tego detektora jest wąska i okresowa co utrudnia zaskok pętli PLL i czasem jest wadą. Znacznie lepsze własności w tym względzie mają detektory fazowo – częstotliwościowe z dwoma przerzutnikami:
-Wybrane układy z techniki cyfrowej, WKiŁ, 1983. Rozdział 6 – Syntezatory częstotliwości.
Przy małych częstotliwościach ( jakie występują w sensorach indukcyjnych ) dokładniejszy niż układ Gilberta jest układ detektora synchronicznego z kluczem/kluczami JFet / Bipolarnym / MOS / CMOS i z OPA sterowanym przez komparator ( bardzo dobry jest tu pokazany mini / mikromocowy prosty komparator na dwóch tranzystorach PNP i NPN dla klucza równoległego JFet ) do którego podano sygnał sinusoidalny zasilający sensor.
Klucz może być włączony w szereg z sygnałem lub zwierać go jako klucz równoległy lub multiplexer CMOS wykonuje obie te funkcje.
Tak jak prostownik diodowy i idealny prostownik z OPA może być jednopulsowy i dwupulsowy tak samo jest detektorem synchronicznym. Zaleta prostowników dwupulsowych jest podwójna częstotliwość pulsacji i obecność w wyjściowej informacji z dodatniej i ujemnej półfali sygnału. Częstotliwość odcięcia pętli regulacji z prostownikiem dwupulsowym jest circa dwukrotnie większa niż z jednopulsowym. Dodatkowo z prostownikami jednopulsowymi łatwo jest o drgania subharmoniczne w pętlach regulacji
Tranzystor JFet jako klucz równoległy ( zwierający do GND ) ma tu dwie wady pogarszające dokładność detektora.
-Oporność Rdson załączonego klucza rośnie z temperaturą obniżając wzmocnienie detektora synchronicznego. Skutkiem wywołanej przez temperaturę małej asymetrii w układzie dwupulsowym pojawiają się też niewielki szkodliwe pierwsze harmoniczne tętnień sygnału. Spadek wzmocnienia można łatwo skompensować.
-Poprzez pojemność Cgd składowa zmienna sygnału kluczującego bramkę JFeta przepływa na wyjście detektora jako zakłócenie AC a dodatkowo wprowadza błąd DC zależny od amplitud sygnału w momentach kluczowania.
Błąd wprowadzany przez OPA w takim detektorze synchronicznym jest niewielki. Istotny dla błędu wprowadzonego przez JFeta jest iloraz Cgd / Rdson pomnożony przez napięcie kluczujące, które musi być znacznie większe od Up. W serii tranzystorów Rdson spada gdy Up rośnie. Rosnące napięcie Up ogranicza zaś maksymalne napięcie ( ujemne dla typu N ) blokowane przez klucz.
I tak tranzystory JFet BF245A,B,C ( =2N3819 bez selekcji ) mają Rdson 200,150,80 Ohm a pojemności Cgd 1.3 pF i coraz większe napięcia Up a tranzystory o większej strukturze ( i wielokrotnie droższe ) 2N4091,2,3 mają Rdson 80,50,30 Ohm i Cgd 5 pF i oczywiście znów rosnące napięcie Up.
Przy danej częstotliwości i idealnym OPA optymalny rezystor dla tranzystorów 2N4091,2,3 jest mniejszy niż dla BF245A,B,C ale błędy z optymalnym rezystorem są circa takie same ! Natomiast większe rezystory dają większy błąd i szum OPA ale jest on mały.
Na schemacie z materiałów NS (AN-301 ) jest układ pomiarowy z LVDT. Jest na nim błąd. W tej bardzo ciekawej Nocie Aplikacyjnej jest dużo błędów co nie jest raczej normalne.
Generator napięcia sinusoidalnego na tranzystorze Q1 pracuje z przesuwnikiem fazowym. Do wzmacniacza operacyjnego A1A zasilającego LVDT ma być podane napięcie z generatora bez składowej stałej jak w AN262 gdzie użyto górnoprzepustowego filtru RC. Bez dodatkowego filtru górnoprzepustowego RC sygnał dla A1 można wziąć z punktu połączenia kondensatorów 0.05 uF od kolektora i rezystora 2.7 K ( ale sygnał ma tu większe zniekształcenia nieliniowe ale nie są one duże ) przesuwnika fazowego a nie z kolektora Q1 bowiem napięcie stałe nasyci wzmacniacz operacyjny.
Wzmocnione przez nieodwracający wzmacniacz A2C sygnał z LVDT podano do detektora fazowego z JFet na OPA A2A. Pojemności dołączone do wejść wzmacniacza operacyjnego zmniejszają zakłócenia powodowane głównie przez pojemności Cgd klucza i sygnał kluczujący. Gdyby Rdson=0 to przy wejściowym sygnale sinusoidalnym o częstotliwości F na wyjściu detektora nie ma składowej F ale w układzie realnym jest niewielka składowa. Gdy to jest potrzebne można ją usunąć dając do wejścia + OPA i GDN duży opornik. Najlepsze parametry ma detektor synchroniczny gdy sygnał kluczujący bramkę JFeta jest „dokładnie” w fazie z sygnałem sinusoidalnym z LVDT. Klucz przełącza wtedy gdy napięcie na nim jest zerowe i największe jest wzmocnienie detektora. Przesuniecie fazy wprowadzone przez indukcyjność i pojemność uzwojeń LVDT kompensuje w pokazanym układzie regulowany przesuwnik fazy z potencjometrem regulacyjnym umieszczony przed komparatorem C1. W układach praktycznych stosowany jest prostszy stały przesuwnik fazy do konkretnego LVDT lub nie ma przesuwnika gdy przesuniecie wprowadzone przez LVDT jest małe.
Układ nie jest energooszczędny. Dobroć indukcyjności zasilanego LVDT (i podobnych sensorów ) wynosi >3 i w energooszczędnych układach z generatorem LC pokrywana jest tylko składowa czynna prądu a indukcyjna rezonuje z C.
Układ detektora synchronicznego z JFetem wymaga jednak z reguły z powodu napięcia Up znacznego napięcia zasilania. Przy małych napięciach zasilania można użyć identycznego topologicznie układu detektora synchronicznego z równoległym kluczem bipolarnym ale sterowanym bazą prądowo - napięciowo. Przełącznikowy tranzystor bipolarny musi być włączony inwersyjnie bowiem ma on w takiej konfiguracji bardzo małe napięcie nasycenia (<1mV) o małym dryfcie temperaturowym i nie ma przecieku potężnego ładunku bazy Qb przy wyłączeniu nasyconego tranzystora. Mankamentem klucza NPN lub PNP jest małe napięcie przebicia Ubeo. Aby otwarty równoległy klucz symetrycznie tolerował największe sygnały wejściowe napięcie kluczujące podane do bazy musi mieć optymalny poziom ! Można też modulując to napięcie sygnałem wejściowym zwiększyć tolerowane przez klucz bipolarny napięcie.
Popularne przełącznikowe tranzystory bipolarne z rodziny 2N2222 ( to także plastikowe 2N4400, 4401 z tym samym chipem ) jako klucz równoległy w detektorze synchronicznym kluczowane prądem prostokątnym 0.5 mA o częstotliwości 9 kHz z ujemnym Ube -4V z rezystorem wejściowym 10 K wytwarzają bez sygnału offset o napięciu DC 0.8 mV a więc niewielki. Jego dryft temperaturowy nie przekracza 2 uV/C czyli jest znikomy.
Produkowane są specjalne tranzystory bipolarne ( przykładowo TCH99 Raytheon ) do detektorów synchronicznych ( klucz szeregowy lub równoległy ) o dużym napięciu Ubeo ale są u nas niedostępne i strasznie drogie.
Dwa takie szeregowe klucze, jako szeregowe jednopołówkowe detektory synchroniczne N17 i N10 zastosowano w omawianym już Autopilocie firmy Raytheon.
Jako klucze detektora synchronicznego można też stosować typowe klucze CMOS z rodziny 4000. N.B W układzie CD4007 ( i naśladowczych ) tranzystory komplementarne Mosfet trzech „inverterów” nie są do końca skonfigurowane - połączone i można ich dość dowolnie użyć w wielu zastosowaniach.
W ramach serii JFetów malejące Rdson wymaga większego napięcia sterowania bramką z uwagi na rosnące napięcie odcięcia Vp co ogranicza wielkość podanego sygnału.
Większość JFetów jest symetryczna i katalogach podano że elektrody S i D są zamienne.
Równoległy klucz N JFet ma znaczną asymetrie napięcia blokowania Uds. Blokowane jest dodatnie napięcie aż do Vcc bowiem napięcie przebicia Vdg bramki jest znaczne. Blokowane napięcie ujemne jest znacznie mniejsze bowiem tranzystor zaczyna wcześnie przewodzić przy napięciu Uds na kluczu Ug-Up. Przykład. Gdy sterowanie podaje bramce napięcie Ug=-10 V a napięcie odcięcia JFeta wynosi Up=-6V to maxymalny blokowany sygnał wynosi tylko - 4 V. Przy nieintencjonalnym przewodzeniu JFeta mocno zaburzona jest prac detektora fazy co może uszkodzić całą funkcjonalność urządzenia. Zatem przy ustalonym napięciu sterowania bramką ( z reguły jest to ujemne ( dla typu N ) napięcie zasilania ) z tranzystorem z serii o większym Rdson ( jak BF245A ) możemy podać większe blokowane napięcie do klucza niż z typem o mniejszym Rdson jak BF245C ale o większym Up ! Wybór tranzystora JFet klucza nie jest więc sprawą oczywistą i nie jest łatwy !
Zbyt małe ujemne (dla N i NPN ) napięcie blokowania klucza jest często niezrozumiane co prowadzi do upadku projektu.
Jeśli równoległym kluczem jest tranzystor bipolarny NPN o typowym małym napięciu Uebo ( z pomijalnym upływem do napięcia -5V ), to przy ujemnym napięciu sterującym bazę -2.5V klucz symetrycznie blokuje tylko napięcia z przedziału -2.5 ...+2.5V. Niewielka rozbudowa układu sterowania bazy pozwala to napięcie powiększyć co czasem ma kapitalne znaczenie.
Gdy system ma zasilanie 5V użycie jako klucza dowolnego tranzystora JFet może być niemożliwe dlatego że wymaga on sporego napięcia do sterowania bramki. Musimy wtedy użyć tranzystora bipolarnego.
Tam gdzie ma to znaczenie przeciek sygnału sterującego do wyjścia klucza przez pojemność Cgd JFeta można skompensować podając napięcie sterujące bramkę w przeciwfazie przez kondensator o równoważnej średniej ( jest nieliniowa i stąd kompensacja jest połowiczna ) pojemności Cgd.
Dwubramkowy Mosfet może być kluczem równoległym praktycznie bez przecieku sygnału kluczującego podanego do G1 gdy niewielki sygnał kluczujący w przeciwfazie podamy do G2. Pojemność Cg1d już jest mała a kompensująca pojemność Cg2d o wiele większa. To że mały sygnał kluczujący podany do G2 jest w przeciwfazie jest bez znaczenie dla akcji klucza bowiem napięcie DC na G2 jest tak ustalone że górny tranzystor w Mosfecie jest cały czas załączony i kluczem jest tylko dolny tranzystor. Układ sterujący dwubramkowego Mosfeta może być więc całkiem prosty.
W tych tranzystorach Mosfet zawsze jest antyrównoległa pasożytnicza dioda i taki klucz pracuje tylko z małymi napięciami. Jest doskonałym scalonym chopperem we wzmacniaczu z przetwarzaniem dla bardzo małych sygnałów.
Klucze CMOS mogą pracować jako Detektor synchroniczny jak w pokazanym (za Linear Technology ) układzie dla sensora LVDT. Oczywiście zamiast drogiego układu LT można stosować standardowe multiplexery CD4053 i inne klucze.
Takie rozwiązanie stosuje Instytut lotnictwa w układach pomiarowych do LVDT. Karty generatorów to SH 401, 403, 407 i "wzmacniacze" to SH 402, 404 , 408. Euro - kaseta na 8 kanałów LVDT ( Przyrząd pomiarowy CF500 ) kosztuje tyle co mały samochód osobowy. Przy znacznej komplikacji parametry są zdumiewająco słabe.
Różnicowe wyjście (WE1, WE2 kondycjonera ) sygnału sinusoidalnego 800 Hz z sensora indukcyjnego podano do wzmacniacza instrumentalnego (rezystory R2,R3 i potencjometr P1 służą do symetryzacji toru sygnału) wykonanego na dwóch wzmacniaczach operacyjnych i dalej do filtru środowoprzepustowego i korekcyjnego przesuwnika fazowego L1,C2,C3 jako że ten prymitywny detektor nie tłumi zakłóceń ! Po dalszym wzmocnieniu sygnał jest sumowany z sygnałem wzbudzającym sensor i podany do prostownika idealnego na wzmacniaczu operacyjnym. Sygnał wzbudzający jest też tak wyprostowany i na koniec odjęty dla zachowania Zera. Potencjometry służą do Zerowania i ustawienia Skali.
Podwójny masowy, tani układ LM393 i poczwórny komparator LM339 jest małomocowy. Jest dość wolny ale wystarczający do zastosowań do detektora LVDT i podobnych celów. Gdy więc w systemie jest zastosowanie dla pozostałego lub 3 komparatorów to warto tych układów użyć. Komparator ten (wyjście jest marne bo OC ) można użyć jako OPA ale wymaga to elementów RC do kompensacji częstotliwościowej dla ustabilizowani pętli sprzężenia zwrotnego.
Braki w bazie podzespołowej prawdopodobnie zniechęcają krajowych konstruktorów do używania bardzo użytecznego detektora synchronicznego.
Na schemacie pokazano dyskretny komparator mało/ mikromocowy wytwarzający ze znacznego sygnału sinusoidalnego sygnał prostokątny do kluczowania bramki JFeta klucza równoległego detektora synchronicznego.
Sygnał poprzez ewentualny przyspieszający szeregowy kondensator C1 i rezystory R1 i R1' podany jest do wejścia wtórnika emiterowego na tranzystorze Q1-NPN. Ewentualny kondensator C2 opóźnia fazę. Elementy C1 i C2 oraz R1 są więc opcjonalne. Konieczne do pokrycia przesunięcie fazy wprowadzone przez LVDT wynika z jego indukcyjności i pojemności kabla przyłączeniowego i ewentualnego małego przesunięcia fazy wprowadzanego przez wzmacniacz (jeśli jest stosowany ) sygnału z LVDT.
Dioda D chroni złącze B-E Q1 i przede wszystkim zapobiega wprowadzeniu szkodliwej asymetrii napięcia stałego (drogą prostowania ) na ewentualnych kondensatorach C1 lub C2 do przesunięcia fazy. Tranzystor Q2-PNP wzmacnia napięciowo sygnał podany wprost do bramki JFeta. W układzie mikromocowym tranzystor Q2 powinien być typem radiowym BF o małych pojemnościach co pozwala stosować znaczny rezystor w kolektorze R3. Ta ścieżka do C-Q2 i Gate JFet PCB nie powinna być długa dla zachowania tu małej pojemności
Prąd bazy Q1 daje na R1+(R1') niewielki wejściowy offset stałoprądowy i należy użyć tranzystora BC grupy wzmocnienia C ( brak różnicy w cenie ) co jest także konieczne przy dobrej pracy z małym prądem kolektora.
Ewentualnie wymagany rezystor R4 do symetryzacji może mieć wartość >10M co może być kłopotliwe bowiem wartość 22 M nie zawsze w szeregach tanich rezystorów występuje. Przy podaniu na wejściu czyli R1 GND na wyjściu C-Q3 powinna być przy właściwym rezystorze R4 połowa napięcia zasilania.
Po dodaniu rezystora R3' ten komparator kluczuje równoległy tranzystor NPN detektora synchronicznego. Rozwiązanie jest więc elastyczne. Uzyskane efekty są dobre przy zdumiewającej prostocie i taniości.
Literatura.
1.Patent. Proste sterowanie (sch) bazy bipolarnego klucza równoległego NPN ( także PNP ) powiększające maksymalne dodatnie napięcie na nim. Znacznie polepszają się parametry systemu.
2.Patent. Tani mało / mikromocowy dyskretny komparator (sch) do sterowania równoległego klucza JFet lub bipolarnego.
3.Wszechstronne zastosowanie idei pętli fazowej PLL.
Omówienie. Pętla PLL kojarzona jest z elektroniką a w szczególności z telekomunikacją analogową i cyfrową oraz z odczytem danych z dysków magnetycznych i optycznych. Istotny jest aparat pojęciowy i analityczny
Ale bez wywarzania otwartych drzwi idee PLL stosujemy do szybkiej synchronizacji na sieć NN turbogeneratora elektrowni lub agregatu z silnikiem Diesla i generatorem synchronicznym.
Algorytm może być programowy i możemy komputerem / DCS / PLC synchronizować różne zdarzenia.
Ważnym elementem /algorytmem systemu PLL jest detektor fazowy lub fazowo – częstotliwościowy.
Bardzo interesujące ale trudne tematy. Za wysoki poziom.
OdpowiedzUsuńWitam. Przede wszystkim te tematy były w Polsce nieznane i dalej są nieznane.
UsuńSkoro gazetki parafialne mają naukową punktacje to trudno się czegoś innego spodziewać.