Принцип работы детекторного приемника: Детекторный радиоприемник » Полезные самоделки

Содержание

Детекторный радиоприемник » Полезные самоделки

В детстве я был заядлым радиолюбителем, и первой моей самоделкой был как раз детекторный радиоприемник.

Конечно мощность детекторного радиоприемника не велика, и хороший уровень приема будет только у одной радиостанции, остальные могут просто заглушаться,  но детекторный приемник позволяет прослушивать радиостанции без использовании батареек, т.е. работает он непосредственно за счет энергии радиоволн.

Детали для изготовления детекторного радиоприемника:

Диод (подойдут германиевые диоды Д2, 18,20, как самые дешевые и широко распространенные).

Конденсаторы C 1 переменный керамический или воздушный, предназначен для настройки приемника на частоту радиостанции (5-300 пФ), С2 нужен, чтобы убрать ВЧ — составляющую и повысить качество звука (2000 — 6800 пФ).

наушники (телефоны) Подходят только высокоомные телефоны (ТА-4, ТОН-2, ТОН-2М, ТАГ-1, ТГ-1), абсолютно не подходят низкоомные или наушники от плеера.

Проволокадля изготовления катушки колебательного контура и антенны. Диаметром от 0,1 до 1 мм

Кусок бумаги или цилиндр для катушки колебательного контура.

 

Принцип работы детекторного радиоприемника


Настроив контур на частоту принимаемой радиостанции, выделяем высокочастотный АМ — сигнал. Частота его колебаний велика (более 100 кГц), и в наушниках он слышен не будет. Сигнал нужно продетектировать (преобразовать ВЧ электрические колебания, в колебания НЧ). Для этого служит диод VD 1 (рис.2). Он обладает свойством проводить ток только в одном направлении, от анода, обозначенного треугольником, к катоду. Положительные полуволны колебаний в контуре вызовут ток через диод, а отрицательные закроют его, и тока не будет.
При отсутствии конденсатора C 2 через наушники будет протекать пульсирующий ток. Он содержит постоянную составляющую, которая изменяется со звуковой частотой. Такой ток уже вызовет в наушниках звук. Процесс детектирования улучшается при подсоединении блокировочного конденсатора C 2. он заряжается положительными полуволнами почти до амплитудного значения колебаний, а в промежутках между ними сравнительно медленно разряжается током через наушники.

Принципиально простейший детекторный радиоприемник состоит из следующих узлов:

 

 

Схема изготовления детекторного радиоприемника

 

 

 

Для изготовления корпуса детекторного радиоприемника можно использовать оргстекло + несколько болтов с гайками для изготовления ножек.

Изготовление катушки колебательного контура:

Катушка колебательного контура может быть:

— Для приема средних волн, каждая часть содержит 20 витков,

— Для приема длинных по 60 витков.


Определитесь с длинной волн, и  можно приступить к наматыванию катушки.

Берем цилиндр диаметром 10 см, скотчем обклеиваем его вокруг газетой.

Второй слой газеты накручиваем неплотно на первый, чтобы после намотки проволоки, катушку легко можно было снять.

Наматываем проволоку виток к витку, между двумя частями оставляем 5 см. проволоки  (так же по  5 см., оставьте на выходе и входе катушки).

Намотали? Теперь обматываем в два слоя, вдоль витков изолентой, далее снимаем катушку с цилиндра и обматываем еще и поперек.

 


Подключение к заземлению

для изготовления заземления вбейте в землю с теневой стороны дома (там земля все время влажная) металлический штырь, предварительно соединив его с проводом.

Чем лучше вы заземлите, тем лучше будет прием радиосигнала. Проводим провод заземления в дом.

Лично я в детстве использовал для заземления металлическую трубу от стояка отопления, но так делать не совсем правильно, да и заземления труба в наше время может и не иметь, т.к. многие меняют трубы на пластиковые.

Использование антенны

Сделать антенну для детекторного радиоприемника можно из медной проволоки.


Длина проволоки для антенны зависит от того, какой результат вы хотите получить.

Например:

— Антенна длиной 10 м, будет принимать только одну станцию, но хорошо и громко.

— Антенна длиной 1 — 3 м, будет принимать несколько радиостанций, но с плохим качеством.

Готовый детекторный радиоприемник может выглядеть так

 

или так

 

 

Настройка детекторного приемника


Настройка осуществляется путем перемещения одной части катушки относительно другой. Также можно заменить C1, несколькими переменными конденсаторами. Настраивая их, вы добьетесь максимального качества сигнала.
Если качество сигнала очень плохое, можно попробовать сделать катушку из более толстой проволоки.

Александр Борисов, г. Самара
:

Простейший детекторный радиоприемник.

Иногда, для понимания принципов работы антенн, и радиосвязи в целом, необходимо возвращаться к истокам радиотехники. Развитие в XIX веке науки и техники привело к изобретению радио. Электромагнитная энергия позволяет передавать информацию на значительные расстояния. Первые простейшие радиоприёмники имели вид незамысловатой конструкции, состоящей из деревянного корпуса и непонятным внутренним содержимым. Схема простого радиоприёмника, превращающая радиосигнал в звуковые волны, дошла до наших дней в неизменном виде. Поменялось качество материалов, радиодеталей и технология сборки, что позволило уменьшить приёмник в размерах, улучшить качество звука и повысить удобство в обращении.

Современный мир насыщен гаджетами. Звуки радиоэфира доносятся из мобильных телефонов телевизоров, музыкальных центров и прочей бытовой техники. Зачем изобретать колесо и создавать простейшие радиоприёмники, когда всё это можно купить?

В прошлом веке монтажу схем, обращению с паяльником учили радиокружки, которых сегодня практически не осталось. Использование современными людьми электронных устройств, без знания принципа работы, сегодня вполне нормально. Однако самостоятельное изготовление радиоприёмника, поможет понять принципы работы современного оборудования, в работе которого повсеместно используются радиоволны.

Конструкция детекторного приёмника с простой схемой и минимальным набором деталей подойдёт для начинающего радиолюбителя. Для работы самого приемника не нужен источник питания и дорогие детали. Часть деталей можно изготовить самостоятельно. Устройство работает от энергии радиоволн. Короткое замыкание и ошибки в подключении не выведут аппарат из строя.

Слабое усиление сигнала простейшего радиоприёмника позволяет услышать в наушник находящиеся рядом станции. Для прослушивания через громкоговоритель (динамик), в схему детекторного приёмника нужно добавить низкочастотный усилитель с дополнительным электрическим питанием. Длина и материал антенного провода, качество заземления играют главную роль в приёме сигнала.

Определение типа усилителя

Усиление сигнала производится низкочастотным усилителем. В зависимости от типа радиодеталей и энергопотребления усилители содержат вакуумные лампы или полупроводники.

Ламповый усилитель

Основная часть лампового усилителя — вакуумная радиолампа. Увеличение количества ламп улучшает чистоту и яркость звука. Несмотря на повышение расхода электроэнергии и увеличение размеров корпуса приёмника, несложность наладки и качество звука говорят в пользу такой конструкции. Из-за того, что в наше время сложно достать лампы, такая схема может оказаться проблематичной в сборке.

Полупроводниковый усилитель

Усиление низкочастотного сигнала в приемнике, работающем на основе полупроводникового усилителя, обеспечивается полупроводниковыми элементами — транзисторами или микросхемами. Применение миниатюрной электроники, низкое энергопотребление обеспечивает преимущество этой конструкции над ламповыми схемами. Такая схема позволяет собрать всю конструкцию в небольшом корпусе. Качество транзисторного звука в сравнении с ламповым, зависит от личного восприятия.

Необходимые компоненты для сборки схемы простейшего радиоприёмника
Антенна

Используется медный провод сечением от 2 до 5 мм. Длина антенны определяет мощность сигнала. Скрученный в «пружину» и закреплённый на роликах провод, уменьшает размеры комнатной антенны, увеличивая чувствительность. При натяжении провода в прямую линию, нужно оставлять свободный провис, учитывающий изменение длины антенны от перепадов температуры.

Заземление

Малая чувствительность и громкость простого радиоприёмника улучшается подключением заземления. Заземлением может служить тот же провод или металлический стержень воткнутый в землю.

Блок питания

Источник питания в ламповой схеме — трансформатор переменного тока с выпрямителем на диодах, или диодный мост. Напряжение подаётся от сети переменного тока. Работу полупроводниковой схемы простого радиоприёмника обеспечивают низковольтные источники питания.

Избирательный контур

Настройка частоты сигнала производится конденсатором с катушкой, соединёнными параллельно. Плавность настройки регулируется конденсатором переменной ёмкости 15—560 мкФ. Основой катушки индуктивности служит ферромагнитный сердечник диаметром 6—9 мм, длиной 70—90 мм. Медный проводник толщиной от 0,15 до 0,25 мм наматывается на картонный каркас в количестве 110—420 витков. Настройка частоты производится передвижением сердечника внутри катушки. Одновременно изменяется ёмкость конденсатора.

Подстроечное сопротивление

Резистор переменного сопротивления R 320 кОм, регулирующий ток и предохраняющий транзистор от перегрева. В ламповых схемах резистор управляет анодным напряжением лампы.

Вакуумная лампа или Транзистор

Лампа, транзистор или микросхема предназначены для детектирования и усиления радиосигнала перед подачей на громкоговоритель.

Громкоговоритель

Воспроизведение усиленного звукового сигнала.

Монтаж и наладка

Рассмотрим монтаж и наладку простого радиоприёмника на примере транзисторной схемы. Заранее покупаются радиодетали, изготавливается индуктивная катушка избирательного контура, с намотанным на каркас медным проводом по параметрам, указанным выше. Для монтажа схемы используется плата из текстолита, гетинакса, или другой изолирующего материала. Проверка качества пайки деталей между собой проводится после окончания монтажа.

Подключив к разъёмам платы источник электричества, заземление, наушники, в схему тумблером подаётся питание, о чём сигнализирует щелчок в наушниках. Измеряется вольтметром напряжение коллекторно-эмиттерного перехода транзистора, подключив отрицательный электрод вольтметра к коллектору, положительный — к эмиттеру. Если показание отличается на 30% от напряжения 4,3 В, необходимо его выровнять, подбирая переменным резистором величину сопротивления R1M. После определения нужного сопротивления, в схему впаивается постоянный резистор с расчётной величиной.

Новая батарея при наладке является обязательным условием. Выходное напряжение источника при включённом приёмнике — не менее 8,3 В.

После окончания регулировки коллекторного напряжения, шум в наушниках указывает на правильную настройку транзистора. Гул переменного тока при прикосновении к «ножке» базы транзистора подтверждает правильность регулировки.

Настройка на волну простого радиоприёмника достигается движением ферромагнитного сердечника внутри каркаса с намотанным проводом, или удалением с каркаса катушки L2 2—3 витков провода. Для уменьшения громкости, между антенной и схемой впаивается конденсатор ёмкостью 8—12 пФ.

На последнем этапе схема собирается в общий корпус приёмника, с установкой в него монтажной платы, батарейки, тумблера. Дизайн корпуса и размеры определяются фантазией радиолюбителя.

Принципиальная схема простейшего радиоприемника, проста в сборке и настройке, раньше такие схемы собирали в школе, сейчас конечно в этом нет никакой необходимости. Однако в плане понимания принципов заложенных в основе работы подобного оборудования, практическая сборка простейшего приемника может оказаться весьма полезным занятием.

Детекторный приёмник

Детекторный приёмник — самый простой, базовый, вид радиоприёмника. Не имеет усилительных элементов и не нуждается в источнике электропитания — использует исключительно энергию принимаемого радиосигнала.

1. Устройство
Состоит из колебательного контура, к которому подключены антенна и заземление, и диодного в более раннем варианте кристаллического детектора, выполняющего демодуляцию амплитудно-модулированного сигнала. Сигнал звуковой частоты с выхода детектора, как правило, воспроизводится высокоомными наушниками. Настройка приёмника на частоту радиостанции производится изменением индуктивности контурной катушки или ёмкости конденсатора последний может отсутствовать, его роль в этом случае выполняет ёмкость антенны и настройка зависит от длины и расположения антенны.

Даже для приёма мощных радиостанций детекторный приёмник требует как можно более длинной и высоко подвешенной антенны желательно десятки метров, а также правильного заземления. Этим в большой степени определяется чувствительность приёмника. Избирательность детекторного приёмника относительно невысока и полностью зависит от добротности колебательного контура.
Немногие важные достоинства детекторного приёмника — он не требует источника питания, очень дешев и может быть собран из подручных средств. Подключив к выходу приемника любой внешний усилитель низкой частоты, можно получить приёмник прямого усиления. Благодаря этим преимуществам детекторные приёмники широко применялись не только в первые десятилетия радиовещания, но и значительно позже — в 1930-е — 1940-е годы, когда уже господствовала ламповая радиоаппаратура. Ради улучшения характеристик схему иногда усложняли: вводили элементы согласования входа приёмника с антенной, добавляли второй и даже третий колебательный контур, использовали трансформаторную или автотрансформаторную связь между колебательным контуром и детектором и т. д. Путём некоторых схемных ухищрений удается даже получить громкоговорящий приём мощных станций.
Детекторные приёмники применялись не только для приёма амплитудно-модулированных сигналов, но и немодулированных незатухающих колебаний например, телеграфии с амплитудной манипуляцией. Детектор преобразует немодулированный сигнал в постоянный ток, который не создает звука в наушниках, поэтому к выходу приёмника вместо наушников подключается какое-либо электромеханическое устройство, преобразующее постоянный ток в звук, например, зуммер или тиккер.
По крайней мере одна модель детекторного приёмника выпускалась советской промышленностью примерно до второй половины 1950-х годов «Комсомолец», позже — только в виде наглядных пособий для школ. В то же время сборка детекторного приёмника считалась полезным практикумом для начинающих радиолюбителей и входила в программу детских радиокружков. Среди радиолюбителей до сих пор сохраняется определенный интерес к постройке детекторных приёмников, но уже скорее эстетический, чем технический.
По принципу детекторного приёмника работают некоторые радиоизмерительные приборы — индикаторы поля и резонансные волномеры.

Дата публикации:
05-16-2020

Дата последнего обновления:
05-16-2020

Детекторный приёмник — это… Что такое Детекторный приёмник?

Дете́кторный приёмник — самый простой, базовый, вид радиоприёмника. Не имеет усилительных элементов и не нуждается в источнике электропитания — использует исключительно энергию принимаемого радиосигнала.

Устройство

Состоит из колебательного контура, к которому подключены антенна и заземление, и диодного (в более раннем варианте кристаллического) детектора, выполняющего демодуляцию амплитудно-модулированного сигнала. Сигнал звуковой частоты с выхода детектора, как правило, воспроизводится высокоомными наушниками. Настройка приёмника на частоту радиостанции производится изменением индуктивности контурной катушки или ёмкости конденсатора (последний может отсутствовать, его роль выполняет ёмкость антенны).

Даже для приёма мощных радиостанций детекторный приёмник требует как можно более длинной и высоко подвешенной антенны (желательно десятки метров), а также правильного заземления. Этим в большой степени определяется чувствительность приёмника. Избирательность детекторного приёмника относительно невысока и полностью зависит от добротности колебательного контура.

Немногие важные достоинства детекторного приёмника — он не требует источника питания, очень дешев и может быть собран из подручных средств. Подключив к выходу приемника любой внешний усилитель низкой частоты, можно получить приемник прямого усиления. Благодаря этим преимуществам детекторные приемники широко применялись не только в первые десятилетия радиовещания, но и значительно позже — в 1930-е — 1940-е гг., когда уже господствовала ламповая радиоаппаратура. Ради улучшения характеристик схему иногда усложняли: вводили элементы согласования входа приемника с антенной, добавляли второй и даже третий колебательный контур, использовали трансформаторную или автотрансформаторную связь между колебательным контуром и детектором и т. д.

Детекторные приёмники применялись не только для приема амплитудно-модулированных сигналов, но и немодулированных незатухающих колебаний (например, телеграфии с амплитудной манипуляцией). Детектор преобразует немодулированный сигнал в постоянный ток, который не создает звука в наушниках, поэтому к выходу приёмника вместо наушников подключается какое-либо электромеханическое устройство, преобразующее постоянный ток в звук, например, зуммер или тиккер (en).

По крайней мере одна модель детекторного приемника выпускалась советской промышленностью примерно до второй половины 1950-х гг. («Комсомолец»), позже — только в виде наглядных пособий для школ. В то же время сборка детекторного приемника считалась полезным практикумом для начинающих радиолюбителей и входила в программу детских радиокружков. Среди радиолюбителей до сих пор сохраняется определенный интерес к постройке детекторных приемников, но уже скорее эстетический, чем технический.

По принципу детекторного приемника работают некоторые радиоизмерительные приборы — индикаторы поля и резонансные волномеры.

  • Приемник с кристаллическим детектором производства Ernst Jahnke, Германия, 1920-е гг. Корпус приемника служит каркасом контурной катушки. Настройка осуществляется изменением индуктивности: ползунок на вертикальной направляющей справа перемещается по виткам катушки, подключая к колебательному контуру их определенную часть.

  • Семья вокруг детекторного приемника. Рекламный снимок 1920-х гг., США.

  • Советский приемник ПФ в фарфоровом корпусе, 1930 г.

  • «Комсомолец» — вероятно, последний в СССР детекторный приемник, выпускавшийся не в качестве учебного пособия или игрушки (1947 — 1957 г.).

  • Детекторный приемник-игрушка 1950-х гг. в виде ракеты (реплика производства 1990-х — 2000-х гг.)[1]

См. также

Примечания

Литература

  • Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. — М.:Энергия, 1979
  • Борисов В. Г. Кружок радиотехнического конструирования : Пособие для руководителей кружков / В. Г. Борисов. — М. : Просвещение, 1986. — 206, [1] с.
  • Кубаркин Л. В., Енютин В. В. Как построить детекторный приемник. — М.—Л.:Государственное энергетическое издательство, 1948
  • Поляков В. Т. Техника радиоприема: простые приемники АМ сигналов. — М.:ДМК Пресс, 2001, ISBN 5-94074-056-1

Ссылки

Детекторный приемник, схема работы. Принцип работы.

Огромный выбор всевозможных электронных устройств, приборов и оборудования окружает человека в процессе повседневной жизнедеятельности. Электроника включена в состав малейших приборов и деталей, даже в брелок или браслет. В то время как различные электроприборы и установки поражают воображение своим изобилием, казалось бы, интересоваться устройством и принципом работы такого прибора как детекторный приемник, неактуально.

На самом деле все обстоит иначе. Многие люди активно интересуются всевозможными устройствами, пытаются разобраться, как работает то или иное изделие, а при первой возможности – погружаются в творческий процесс, пытаясь самостоятельно что-либо сделать! Стремление к саморазвитию – вот та основа, на которой поддерживается устойчивый интерес (в том числе в поисковых системах) к устройству, принципу работы такого, на первый взгляд незамысловатого прибора, как детекторный приемник, схеме работы его и порядка сборки.

Творчество – это лучший выбор для развития личности в современном мире. А такое увлечение радиоделом и электроникой может стать побудительным моментом для привлечения к профессии друзей, знакомых, родственников и, конечно же, детей.

Главное преимущество данного прибора заключается в том, что оно работает самостоятельно, не использую внешние источники энергии, а собрать детекторный приемник сможет практически любой школьник. Как источник энергии схема у приемного устройства собирается практически из подручных средств и не требует использования даже батареек.

Чудо ли это? Несомненно, так что стоит попробовать!

Что из себя представляет детекторный приемник

Под этим термином принимается устройство, собранное по определенной схеме, способное воспроизводить радиосигнал и при этом для работы не требуется использование никаких внешних источников электрической энергии (ни розеток, ни батареек, ни ветрогенераторов и прочих устройств). Уникальность приемника заключается в получении питания из поступающего на устройство радиосигнала. Энергия радиоволн – вот источник звука, который можно услышать в наушниках собранного приемника. Данная схема и принцип работы позволяют принимать и слушать наиболее мощные, близко расположенные источники сигналов.

Чтобы обеспечить хорошую слышимость работающего детекторного приемника, необходимо обеспечить соответствующие размеры приемной антенны, а также – резисторное сопротивление используемых для приема сигнала наушников. Зависимость здесь прямо пропорциональная: чем выше сопротивление, тем более громкий сигнал будет получен.

Принципиальная схема

Классическая схема простейшего детекторного приемника состоит из следующих, соединенных между собой элементов:

– антенна;

– заземление;

– колебательные контуры;

– диод;

– фильтр низких частот;

– наушник.

Как же работает данная установка? Прежде всего, необходимо настроить колебательный контур на выбранную рабочую частоту принимаемой радиостанции. Таким образом, получаем возможность выделить высокочастотный сигнал (АМ). Его частота достаточно велика, составляет 100кГц и более, поэтому в наушниках собранной схемы ми ничего не услышим. Решение проблемы простое: получаемый сигнал необходимо преобразовать или, как говорят специалисты, продектировать. Фактически, задача – из ВЧ электрические колебания необходимо превратить в НЧ.

Схема простейшего детекторного приёмника:
Он состоит из антенны и заземления подключённых к колебательному контуру из катушки L1 и переменного конденсатора C1, диодного детектора на диоде VD1, фильтра нижних частот, образованного C2 и сопротивлением наушников BF1, и самих наушников.

Для этого в схему простейшего детекторного приемника включается диод (VD). Его уникальное свойство заключается в способности проводить ток только в одном направлении: от анода (обозначается треугольником) к катоду. Одна часть задачи выполнена, мы используем положительные полуволны в контуре, которые будут проходить через диод и остановим прохождение отрицательных волн. Но попытки получить четкий сигнал в наушниках пока еще не дают результата. Пульсирующий ток, конечно уже вызовет образование звука в наушниках, но, чтобы все заработало качественно, необходимо использовать сопротивление.

Практическое применение

Очевидно, что улучшенный детекторный приемник – это ценное изобретение, позволяющее получать энергию бесплатно, практически «из воздуха». Получаемой энергии достаточно, чтобы обеспечить яркое равномерное свечение светодиода (белого или желтого цвета), а при необходимости (в случае отсутствия источников электрической энергии) можно обеспечить подзарядку аккумулятора или часовой батарейки (АА или ААА).

Такое устройство может найти применение в различных сферах деятельности человека. Например, на территории фермерского или коллективного хозяйства в условиях отсутствия источников энергии. Прибор может стать незаменимым элементом комплектации альпинистов, исследователей, путешественников по тайге, тундр, иных удаленных от цивилизации мест.

Подведем итог

Схема простейшего детекторного приемника достаточно проста. Собрать ее может практически каждый человек, имеющий элементарные знания в электротехнике. Попробуйте, вам наверняка понравится!

«Техническое творчество»

Тема 1. Водное занятие.

Ознакомление с радиолабораторией. Правила техники безопасности. Ознакомление с темами занятий

 Тема 2. Основы слесарного мастерства.

Виды слесарного инструмента. Правила работы с инструментом. Правила работы на сверлильном станке.

 Тема 3. Электрические величины.

Понятие тока, напряжения, сопротивления. Измерение электрических величин.

 Тема 4. Принцип радиосвязи.

Общий принцип устройства радиопередатчика и приемника. Радиоволны.

 

Тема 5. Обозначение радиодеталей на схемах.

Обозначение радиодеталей на схемах. Составление простых схем.

 Тема 6. Основы радиомонтажа.

Изготовление плат. Особенность установки деталей на платах. Монтажные схемы. Рациональная прокладка проводов на монтажных платах.

 Тема 7. Блок питания.

Назначение блока питания. Назначение трансформатора и общий принцип его работы. Назначение выпрямителя и принцип его работы. Сглаживающие фильтры. Изготовление платы блока питания. Изготовление блока питания на напряжение до 12 вольт

 

Тема 8. Детекторный приемник.

Устройство детекторного приемника. Назначение колебательного контура и принцип детектирования. Изготовить детекторный приемник на открытой плате и испытать в работе.

 Тема 9. Устройство и общий принцип работы некоторых деталей.

Резисторы. Конденсаторы. Диоды. Катушка.

 Тема 10. Мультивибратор.

Общий принцип работы мультивибратора и особенности его построения. На пробной плате собрать мультивибратор. Опыты с мультивибратором.

 Тема 11. Генератор звуковой частоты.

Назначение генератора и принцип его работы. Собрать генератор звуковой частоты. Сложность зависит от опыта ученика. Опыты с генератором.

Тема 12. Усилитель НЧ на транзисторах.

Усилительный режим работы транзистора. Принцип сборки усилителей НЧ. Собрать схему усилителя на плате. Сложность схемы зависит от опыта ученика. Испытать усилитель в работе.

 Тема 13. Колебательный контур. Антенны.

Назначение и принцип работы колебательного контура. Изменение частоты колебательного контура. Антенна как развернутый колебательный контур.

 Тема 14. Радиоприемник на транзисторах.

Принцип работы приемника прямого усиления. Поэтапно собрать на плате приемник прямого усиления. Настроить режимы работы транзисторов испытать приемник. Градуировка шкалы приемника.

 Тема 15. Заключительное занятие.

Подведение итогов проделанной работе. Подготовка лаборатории к ремонту.

Изобретения А.С. Попова

 


Первый приемник
1895

Грозоотметчик
1895

Телефонный приемник депеш
1899

Изобретения А. С. Попова базировались на научном фундаменте, созданном великими физиками М. Фарадеем и Д. К. Максвеллом, о результатах исследований которых он узнал, будучи еще студентом Санкт-Петербургского университета. С работами современных ему ученых А.С.Попов знакомился, будучи преподавателем Минного офицерского класса (1883 – 1901). С 1889 г. А.С.Попов повторял опыты Г. Герца и исследовал физические процессы, связанные с электромагнитными излучениями. Изготовив вибратор Герца (источник электромагнитных волн) и резонатор Герца (индикатор таких волн), Попов в 1890-1895 гг. неоднократно демонстрировал опыты немецкого ученого на своих лекциях в Петербурге и Кронштадте.

Над проблемой создания прибора, способного выявлять наличие высокочастотного электромагнитного излучения, работали многие ученые в мире, в том числе и А. С. Попов.

Наиболее плодотворными оказались работы, связанные с исследованием поведения проводящих веществ с зернистой структурой под действием электромагнитных волн. В 1890 г. французскому ученый Э. Бранли создал «радиокондуктор» — прибор, представляющий собой трубочку с металлическими опилками, сопротивление которых изменялось под воздействием высокочастотных колебаний. Недостатком этого индикатора электромагнитного излучения являлась потеря чувствительности после одноразового облучения.

Работы Э. Бранли заинтересовали английского ученого О. Лоджа, увидевшего в этом открытии возможность получить более чувствительный индикатор электромагнитных волн, чем резонатор Герца. В 1894 г. Лодж усовершенствовал прибор Бранли, подсоединив к нему механическое устройство для периодического встряхивания опилок и назвав его когерер (от слова «когезия» − сцепление).

Первый приемник

А. С. Попов изобрел когерерный приемник, оригинальная конструкция которого позволяла восстанавливать чувствительность прибора после каждого электромагнитного воздействия. В цепь с когерером было включено реле, обеспечивавшее подключение исполнительного устройства — электрического звонка, молоточек которого бил по трубочке, встряхивая опилки и восстанавливая его сопротивление после приема каждой посылки затухающих электромагнитных колебаний. В зависимости от длительности замыкания телеграфного ключа передатчика (короткой или продолжительной), трель звонка приёмника будет, соответственно, короткой или продолжительной, обеспечивая звуковую регистрацию передаваемого сообщения. Задача обеспечения достоверной беспроводной связи была принципиально решена.

7 мая 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества (РФХО) Попов выступил с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», в котором изложил результаты проведенных им исследований и продемонстрировал способность изобретенного им прибора принимать последовательность «коротких и продолжительных сигналов», то есть, по существу, производить приём элементов телеграфного кода, в частности, кодов азбуки Морзе.

Устройство приемника с подробностями, достаточными для его воспроизведения, изложено в протоколе заседания РФХО, опубликованном в августовском номере «Журнала РФХО» (1895 г., т. 27, вып. 8, с. 259−260). 

Грозоотметчик

В ходе первых испытаний приемника была замечена его восприимчивость к атмосферным разрядам. А. С. Попов сконструировал специальный прибор, названный позже грозоотметчиком, для круглосуточного приема электромагнитных колебаний естественного происхождения с автоматической записью их на бумажную ленту самопишущего прибора. С июля 1895 г. грозоотметчик применялся практически: для метеорологических наблюдений − в Лесном институте, и для изучения атмосферных помех радиоприему − в лаборатории МОК.

Таким образом, весной 1895 г. А. С. Попов реализовал почти одновременно два типа радиосвязи, которые до сих пор успешно развиваются: от человека к человеку и от природного объекта к человеку.

Полное описание первой в мире системы радиосвязи было опубликовано в январском номере Журнала РФХО под названием «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний» (1896, т.28, Вып.1. с.1-14). (С полным текстом статьи можно ознакомиться тут.)

Телефонный приемник депеш

Пока летом 1899 г. А. С. Попов был в командировке, испытания комплекта аппаратуры между фортами Кронштадта проводили его ассистент П. Н. Рыбкин и начальник Кронштадтского телеграфа капитан Д. С. Троицкий. Они обнаружили высокую чувствительность аппаратуры при приеме сигналов на головные телефоны. Из Цюриха телеграммой был вызван А. С. Попов, который исследовал обнаруженный «детекторный эффект» когерера.

В результате тщательного исследования данного эффекта им был разработан усовершенствованный когерер (кристаллический диод) на основе контакта между окисленными в разной степени металлами (стальными иглами) и электродами (платиновыми или угольными) и схему телефонного детекторного приемника. Высокая чувствительность нового приемника позволила втрое увеличить дальность связи. Попов открыл новую эпоху в радиосвязи — прием на слух.

Патенты на «телефонный приемник депеш» А. С. Попов получил в России (№ 6066 от 14 июля 1899 г., выдан 13 декабря 1901 г.). Патент Великобритании А. С. Попова на усовершенствованный детектор для телефонного приема № 2797 был заявлен 12 февраля 1900 г., выдан 22 февраля 1900 г. При активном участии Э. Дюкрете патенты получены − во Франции (№ 296354 от 22 января 1900 г. и с дополнением к этому патенту получен 26 октября 1900 г.), в Швейцарии — патент А. С. Попова на «Приемник для телеграфии без проводов» № 21905 (выдан 9 апреля 1900 г.). В США патент А. С. Попова на «Самодекогерирующуюся когерерную систему» № 722139 заявленный 8 марта 1900 г., был выдан 8 марта 1903 г.; патент Испании №25816 был выдан 11 апреля 1900 г.

Попов или Маркони

Во второй половине 1896 г. в западной, а затем и в российской печати появились сообщения о демонстрации в Лондоне опытов по беспроволочной телеграфии итальянского изобретателя  Г. Маркони. Устройство сконструированных им приборов держалось в секрете.

4 июня 1897 г. в Лондоне В. Прис, главный инженер телеграфов Великобритании, сделал доклад, в котором впервые раскрыл техническое устройство аппаратуры Г. Маркони. Деятельность Г. Маркони имела всегда ярко выраженную коммерческую направленность. Предварительную краткую заявку на изобретение под названием «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого» он подал 2 июня 1896 г. Со времени приезда в Англию он получил очень серьезную инженерную поддержку со стороны специалистов британского почтово-телеграфного ведомства. В марте 1897 г. Маркони подал окончательный вариант патентной заявки на 14 листах с чертежами, и 2 июня получил патент. Согласно британскому патентному праву того времени, не требовавшему экспертизы на мировую новизну, Маркони получил патент, действительный только в Великобритании. В том же году была основана его фирма. В России, Франции и Германии ему было отказано в патентовании со ссылкой на публикации А. С. Попова.

А. С. Попов не оставил без внимания выступление Приса и публикацию патента Маркони. В своих статьях в российской и английской (журнал «Electriсian») печати он указал, что приемник Маркони не имеет существенных отличий от его приемника и грозоотметчика, устройство которых было опубликовано на 1,5 года раньше. В то же время, Попов отдавал должное работам Маркони, который «первый имел смелость стать на практическую почву и достиг в своих опытах больших расстояний». И действительно, энергичная деятельность Маркони оказала ускоряющее воздействие на развитие радиотехники.

 


FM-детекторов [Analog Devices Wiki]

Цель

Знать основные принципы демодуляции FM, а также различные схемы, используемые для обнаружения информации из принятого сигнала FM.

Фон

Чтобы связь работала, отправитель и получатель должны договориться о том, какой канал связи использовать. После этого отправитель кодирует сообщение и передает его получателю.Затем получатель получает сообщение и декодирует его. Это справедливо и для FM: переданный FM-сигнал принимается и должен быть демодулирован для получения информации. Это то, что делают FM-детекторы.

Рисунок 1. Обнаружение FM-демодуляции

FM-детекторы — это схемы, которые мгновенно преобразуют изменения частоты несущего сигнала в его аналог выходного напряжения. Они также известны как частотные демодуляторы или дискриминаторы.Передаточная функция FM-детектора нелинейна, однако при работе в линейном диапазоне она составляет:

куда:

Входом в схемы является изменяющийся по частоте сигнал с постоянной амплитудой. Затем схемы преобразуют эти мгновенные изменения частоты в изменения амплитуды, таким образом, каждый уровень напряжения на выходе соответствует его эквиваленту мгновенного изменения частоты на входе. Следовательно, единица передаточной функции FM-демодулятора выражается в вольтах на герц.

Как и AM, FM также имеет индекс модуляции. Он равен отношению отклонения частоты к частоте модуляции. Девиация частоты — это величина изменения или размаха несущей частоты, производимая модулирующим сигналом. Индекс модуляции FM определяется следующим образом:

куда:

Как и AM, индекс модуляции FM, m , является мерой пиковой девиации частоты. Это способ выразить пиковую частоту девиации как кратную максимальной частоте модуляции.Чтобы проиллюстрировать это, обратитесь к рисунку ниже:

Рисунок 2. Пример FM-сигнала

Частота несущего сигнала составляет 1 кГц, частота модуляции 100 Гц, а индекс модуляции равен 3. Принимая во внимание индекс модуляции, это делает пиковую девиацию частоты 300 Гц. Частота будет колебаться от 700 до 1300 Гц. С другой стороны, функция частоты модуляции состоит в том, чтобы знать, насколько быстро цикл завершается.

Существуют различные типы FM-демодуляторов, в том числе:

  1. Датчик наклона

  2. Дискриминатор Фостера-Сили

  3. Датчик соотношения

  4. Дискриминаторы с усреднением импульсов

  5. Квадратурные детекторы

  6. Цепи с фазовой синхронизацией

Для простоты мы углубимся в детектор наклона, чтобы узнать основные функции FM-демодулятора.

Детектор наклона

Детектор наклона, также известный как несимметричный детектор наклона, представляет собой простейшую форму FM-демодулятора. Это частотный демодулятор с настраиваемой схемой, в котором он преобразует FM-сигналы в AM с использованием настроенных (LC) схем и извлекает информацию из огибающей AM, используя последовательное соединение диода и конденсатора (обычный пиковый детектор). с любым радио, даже если оно не поддерживает FM. Детектор наклона зависит от избирательности приемника, и работа его схемы является базовой для всех дискриминаторов с настроенной схемой.Он состоит из настроенной схемы и диодного пикового детектора — основных компонентов типичных частотных дискриминаторов с настроенной схемой. На рисунках 2 и 3 показана его традиционная и упрощенная принципиальная схема.

Рисунок 4. Бестрансформаторный датчик наклона

Несмотря на свою простоту, наклонный детектор имеет наиболее нелинейные вольт-частотные характеристики, поэтому используется редко. На рис. 4 показана зависимость напряжения от частоты.

Рисунок 5. Напряжение детектора наклона в зависимости от частотной характеристики

Еще одна разновидность датчика наклона — это сбалансированный датчик наклона. Он состоит из двух несимметричных датчиков наклона, подключенных параллельно и питаемых не по фазе на 180 градусов.

Процедура

Откройте файл моделирования. В схеме на вход подается FM-сигнал с частотой модуляции 1 кГц, несущим сигналом 5–20 кГц и индексом модуляции 5.Настроенная схема, сформированная C 1 и L 1 , выполняет преобразование FM в AM, а пиковый детектор, сформированный D 1 , R 2 и C 2 , извлекает информацию из огибающей AM. . Запустите файл моделирования и наблюдайте за сигналами.

Рис. 6. Моделирование детектора наклона

Наблюдаемые формы сигналов должны быть аналогичны изображенным на рисунке 5b.

Рисунок 7.Формы сигналов детектора наклона

Другие схемы

Дискриминатор Фостера-Сили и детекторы соотношения

Дискриминатор Фостера-Сили и детектор отношения были широко используемыми демодуляторами демодуляции FM для радиоприемников, которые обычно использовали дискретные компоненты. На рисунке 6 показана схема дискриминатора Фостер-Сили, а на рисунке 7 — детектор соотношения. На первый взгляд, две схемы похожи. У них обоих есть ВЧ-трансформатор и пара диодов, но у Foster-Seeley нет третьей обмотки, в отличие от Ratio Detector.Вместо этого есть дроссель.

Рис. 8. Дискриминатор Фостера-Сили

Оба демодулятора просты в сборке с использованием дискретных компонентов и предлагают хорошие уровни производительности и линейности. Тем не менее, Foster-Seeley обеспечивает более высокий выходной сигнал и имеет меньшие искажения, чем детектор отношения, а детектор отношения обеспечивает хороший уровень устойчивости к амплитудному шуму и имеет более широкую полосу пропускания по сравнению с Foster-Seeley.Недостатками этих демодуляторов являются высокая стоимость их трансформаторов, и их трудно объединить с интегральной схемой; таким образом, в наши дни они не получили широкого распространения.

Дискриминаторы с усреднением импульсов

Дискриминатор с усреднением импульсов использует детектор перехода через нуль, одноразовый мультивибратор и фильтр нижних частот для восстановления исходного модулирующего сигнала. На рисунке 10 показана блок-схема дискриминатора с усреднением импульсов.

Рисунок 10.| Блок-схема дискриминатора с усреднением импульсов

Это очень качественный частотный демодулятор, который использовался только для дорогостоящих приложений телеметрии и промышленного управления. Но из-за доступности недорогих ИС дискриминатор с усреднением импульсов легко реализуется и теперь используется во многих электронных продуктах.

Рисунок 11. | Формы сигналов дискриминатора с усреднением импульсов: (a) вход FM, (b) выход детектора перехода через ноль, © Выход одного импульса, (d) выход дискриминатора (исходный модулирующий сигнал).

Квадратурные детекторы

Рисунок 12. Блок-схема квадратурного детектора

Квадратурный детектор, вероятно, является наиболее широко используемым ЧМ-демодулятором. В нем используется схема фазового сдвига для получения фазового сдвига на 90 ° на немодулированной несущей частоте. Этот детектор в основном используется для демодуляции ТВ и некоторых FM-радиостанций.

Петли с фазовой синхронизацией

Контур фазовой автоподстройки частоты ( PLL ) представляет собой схему управления с обратной связью, чувствительную к частоте или фазе.Все системы ФАПЧ имеют три основных элемента: фазовый детектор, фильтр нижних частот и генератор, управляемый напряжением. Контуры фазовой автоподстройки частоты используются в частотной демодуляции, синтезаторах частот и различных приложениях для фильтрации и обнаружения сигналов. На рисунке 17 показана блок-схема PLL .

Рисунок 13. Блок-схема контура фазовой автоподстройки частоты

Контур фазовой автоподстройки частоты, используемый в качестве ЧМ-демодулятора, несмотря на то, что задействована работа ФАПЧ и , вероятно, является самым простым и легким для понимания.Способность контура фазовой автоподстройки частоты обеспечивать частотную избирательность и фильтрацию дает ему отношение сигнал / шум, превосходящее любой другой тип FM-детектора. Для более глубокого изучения его работы ознакомьтесь с разделом «Лабораторная деятельность с фазовой синхронизацией».

Вопрос

1. Что произойдет с выходным сигналом в детекторе наклона, если C2 изменить на 0,001 мкФ? 0,1 мкФ? Измените R2, сохраняя C2 равным 0,01 мкФ, и снова наблюдайте за формой выходного сигнала.

Coherent Detection — обзор

3.1.2.2 Автогомодинное обнаружение

При когерентном обнаружении частота входного оптического сигнала преобразуется с понижением частоты в область RF посредством смешивания с гетеродином. Самогомодинное обнаружение устраняет необходимость в гетеродине, а оптический сигнал смешивается с задержанной версией самого себя. На рисунке 3.1.8 показана оптическая схема самогомодинного детектирования, в которой две линии задержки используются между двумя направленными ответвителями для формирования конфигурации Маха-Цендера.

Рисунок 3.1.8. Самогомодинный метод измерения ширины линии оптического сигнала.

Мы можем использовать то же выражение, что и уравнение 3.1.8 для оптического поля входного сигнала,

E (t) = Pexp [j (ωt + φ (t))]

После интерферометра Маха-Цендера составной оптическое поле равно

(3.1.27) ET (t) = A1exp [j (ω (t − τ1) + φ (t − τ1))] + A2exp [j (ω (t − τ2) + φ (t− τ2))]

где τ 1 и τ 2 — задержки распространения двух плеч интерферометра, а A 1 и A 2 — амплитуды полей, выходящих из этих двух плеч. .Тогда фототок равен

(3.1.28) I (t) = ℜ | ET (t) | 2 = ℜ {P1 + P2 + 2P1P2cos [ωΔτ + Δφ (t)]}

, где P 1 (t) и P 2 (t) — мощности оптических сигналов, проходящих через два плеча, Δτ = τ2 − τ1 — их дифференциальная временная задержка, а Δφ (t) = φ (t − τ2) — φ (t − τ1) — их дифференциальная фаза. Поскольку фазовый шум имеет гауссову статистику, в стационарном процессе мы имеем

Δφ (t) = φ (t) −φ (t − Δτ)

В системе самогомодинного обнаружения важным параметром является дифференциальная задержка Δτ. .Если дифференциальная задержка намного больше, чем время когерентности оптического сигнала (Δτ≫tcoh), говорят, что интерферометр Маха-Цендера работает в режиме некогерентного сигнала . В противном случае, если Δτ≪tcoh, интерферометр будет в режиме когерентного . В частности, метод измерения ширины линии автомодина работает в некогерентном режиме.

В режиме некогерентной интерференции оптические сигналы проходят через две ветви интерферометра и затем некогерентно объединяются на втором направленном ответвителе.В этом случае два члена в уравнении 3.1.27 не коррелированы друг с другом, потому что член дифференциальной фазы не является детерминированным, что напоминает смешение между светами от двух независимых лазерных источников с одинаковой спектральной шириной линии. Следовательно, нормализованная спектральная плотность мощности фототока в этой самогомодинной установке — это автосвертка спектральной плотности мощности сигнала S p, s ( f ),

(3.1.29) SIF (f) = Sp, s (f) ⊗Sp, s (−f) = 11 + (fΔvs) 2

Обратите внимание, что здесь частота ПЧ равна fIF = 0, а измеренная спектральная ширина линии радиочастотного сигнала в два раза больше, чем фактический оптический сигнал. спектральная ширина линии.Поскольку центр пика RF находится на нулевой частоте, а отрицательная часть спектра будет перевернута на положительную сторону, анализатор спектра RF может увидеть только половину спектра. Следовательно, ширина этого одностороннего спектра равна ширине линии оптического сигнала.

Самогомодинное измерение ширины линии проще, чем когерентное обнаружение, поскольку оно не требует настраиваемого гетеродина; однако у него есть несколько недостатков. Во-первых, для того, чтобы интерферометр работал в некогерентном режиме, разница в длине между двумя плечами должна быть достаточно большой, чтобы уравнение 3.1.29 действительно. Это требование может быть трудно удовлетворить, когда ширина линии источника света очень мала. Например, для источника света с шириной линии Δν = 10 кГц длина когерентности в воздухе составляет примерно Lcoh = c / (nΔν) ≈30 км. Чтобы обеспечить точное измерение этой ширины линии, длина линии задержки в одном из двух плеч интерферометра должна быть намного больше 10 км. Другая проблема самогомодинного измерения заключается в том, что центральная частота RF равна нулю, тогда как большинство анализаторов спектра RF имеют высокий уровень шума в этой области очень низких частот.Шум интенсивности лазера (обычно сильный на низкой частоте, такой как шум 1 / f) также может существенно повлиять на точность измерения.

Чтобы улучшить характеристики самогомодинного измерения, было бы желательно отодвинуть промежуточную частоту от постоянного тока и позволить fIF> Δv, чтобы избежать проблем с точностью в области низких частот. Это приводит к использованию гетеродинных измерений. На рисунке 3.1.9 показана измерительная установка для метода измерения ширины линии самогетеродина, которая похожа на самогомодинную установку, за исключением того, что в одном из двух плеч интерферометра используется оптический преобразователь частоты.

Рисунок 3.1.9. Самогомодинный метод измерения ширины линии оптического сигнала.

В результате частота оптического сигнала сдвигается на f IF в одном плече, тогда как в другом плече оптическая частота не изменяется. Смешивание оптического сигнала с его версией со сдвигом частоты в фотодиоде создает промежуточную частоту на уровне f IF . Следовательно, нормализованная спектральная плотность RF в электрической области будет

(3.1.30) SIF (f) = Sp, s (f − fIF) ⊗Sp, s (−f) = 11 + (f − fIFΔvs) 2

Сдвиг частоты обычно составляет порядка нескольких сотен мегагерц, что составляет намного больше, чем типичная ширина линии полупроводникового лазера, и этого достаточно, чтобы сместить спектр ПЧ из области низких частот с шумом [8, 9].

Самым популярным преобразователем частоты для этой цели является акустооптический модулятор частоты (AOFM). Частотный сдвиг AOFM вводится взаимодействием между световым сигналом и радиочастотным сигналом бегущей волны.Излишне упрощенное объяснение состоит в том, что частота светового сигнала смещается движущейся решеткой, создаваемой бегущей радиочастотной волной из-за эффекта Доплера, как показано на рисунке 3.1.10. В отличие от обычного частотного модулятора, который часто создает два боковых изгиба модуляции, AOFM сдвигает оптическую частоту сигнала только в одном направлении. Еще одно уникальное преимущество AOFM — это его поляризационная независимость, которая желательна для практического измерения ширины линии на основе волоконно-оптической системы.

Рисунок 3.1.10. Иллюстрация принципа действия акустооптического преобразователя частоты.

Важно отметить, что при измерении ширины линии с использованием гомодинных или гетеродинных методов с задержкой дифференциальная задержка между двумя плечами интерферометра должна быть намного больше, чем время когерентности тестируемого лазерного источника. Это обеспечивает некогерентное смешение оптического сигнала и его версии с задержкой. С другой стороны, если дифференциальная задержка намного короче, чем время когерентности источника, установка станет классическим интерферометром Маха-Цендера, в котором оптический сигнал когерентно смешивается с его версией с задержкой.В этом более позднем случае интерферометр может использоваться как оптический частотный дискриминатор, который будет обсуждаться в следующем разделе.

Обзор фотоэлектрических датчиков | OMRON Промышленная автоматизация

1. Большое расстояние срабатывания

Датчик пересечения луча, например, может обнаруживать объекты на расстоянии более 10 м. Это невозможно с помощью магнитных, ультразвуковых или других методов измерения.

2.Практически нет ограничений на обнаружение объектов

Эти датчики работают по принципу, согласно которому объект прерывает или отражает свет, поэтому они не ограничены, как датчики приближения, обнаружением металлических объектов. Это означает, что их можно использовать для обнаружения практически любого объекта, включая стекло, пластик, дерево и жидкость.

3. Быстрое время отклика

Время отклика чрезвычайно короткое, потому что свет распространяется с высокой скоростью, а датчик не выполняет никаких механических операций, поскольку все цепи состоят из электронных компонентов.

4. Высокое разрешение

Невероятно высокое разрешение, достигаемое с помощью этих датчиков, основано на передовых конструкторских технологиях, которые позволили получить очень маленький точечный луч и уникальную оптическую систему для приема света. Эти разработки позволяют обнаруживать очень маленькие объекты, а также определять точное положение.

5. Бесконтактное зондирование

Вероятность повреждения обнаруживаемых объектов или датчиков мала, поскольку объекты могут быть обнаружены без физического контакта.
Это гарантирует годы службы датчика.

6. Цветовая идентификация

Скорость, с которой объект отражает или поглощает свет, зависит как от длины волны излучаемого света, так и от цвета объекта. Это свойство можно использовать для определения цветов.

7. Простая регулировка

Расположить луч на объекте просто с помощью моделей, которые излучают видимый свет, потому что луч виден.

% PDF-1.4 % 578 0 объект > эндобдж xref 578 180 0000000016 00000 н. 0000004810 00000 н. 0000004957 00000 н. 0000005462 00000 п. 0000006007 00000 н. 0000006445 00000 н. 0000007007 00000 н. 0000007472 00000 н. 0000007584 00000 н. 0000007698 00000 н. 0000008177 00000 н. 0000008708 00000 н. 0000009182 00000 п. 0000009269 00000 н. 0000009830 00000 н. 0000010467 00000 п. 0000010931 00000 п. 0000011544 00000 п. 0000012033 00000 п. 0000012529 00000 п. 0000012940 00000 п. 0000013427 00000 п. 0000013938 00000 п. 0000014417 00000 п. 0000014932 00000 п. 0000016537 00000 п. 0000017113 00000 п. 0000017191 00000 п. 0000017269 00000 п. 0000017347 00000 п. 0000017425 00000 п. 0000017503 00000 п. 0000017581 00000 п. 0000017659 00000 п. 0000017737 00000 п. 0000017815 00000 п. 0000017893 00000 п. 0000017971 00000 п. 0000018049 00000 п. 0000018127 00000 п. 0000018205 00000 п. 0000018283 00000 п. 0000018361 00000 п. 0000018439 00000 п. 0000018517 00000 п. 0000018595 00000 п. 0000018673 00000 п. 0000018751 00000 п. 0000018829 00000 п. 0000018907 00000 п. 0000018985 00000 п. 0000019063 00000 п. 0000019141 00000 п. 0000019219 00000 п. 0000019297 00000 п. 0000019375 00000 п. 0000019453 00000 п. 0000019531 00000 п. 0000019609 00000 п. 0000019687 00000 п. 0000019765 00000 п. 0000019843 00000 п. 0000019921 00000 п. 0000019999 00000 п. 0000020077 00000 п. 0000020155 00000 п. 0000020233 00000 п. 0000020311 00000 п. 0000020389 00000 п. 0000020467 00000 п. 0000020545 00000 п. 0000020623 00000 п. 0000020701 00000 п. 0000020740 00000 п. 0000056211 00000 п. 0000056327 00000 п. 0000056366 00000 п. 0000063284 00000 п. 0000063408 00000 п. 0000063486 00000 п. 0000063564 00000 п. 0000063642 00000 п. 0000063720 00000 п. 0000063798 00000 п. 0000063876 00000 п. 0000063954 00000 п. 0000064032 00000 п. 0000064110 00000 п. 0000064188 00000 п. 0000064266 00000 п. 0000064344 00000 п. 0000064422 00000 н. 0000064500 00000 п. 0000064578 00000 п. 0000064656 00000 п. 0000064734 00000 п. 0000064812 00000 п. 0000065500 00000 п. 0000066186 00000 п. 0000066877 00000 п. 0000067565 00000 п. 0000068260 00000 п. 0000068947 00000 п. 0000069637 00000 п. 0000070316 00000 п. 0000070988 00000 п. 0000071655 00000 п. 0000072338 00000 п. 0000073026 00000 п. 0000073708 00000 п. 0000074396 00000 п. 0000075084 00000 п. 0000075770 00000 п. 0000076464 00000 н. 0000081045 00000 п. 0000084994 00000 п. 0000089035 00000 н. 00000 00000 п. 00000 00000 п. 0000091185 00000 п. 0000091852 00000 п. 0000092531 00000 п. 0000093216 00000 п. 0000093891 00000 п. 0000094586 00000 п. 0000095275 00000 п. 0000095967 00000 п. 0000096650 00000 п. 0000097335 00000 п. 0000098009 00000 п. 0000098706 00000 п. 0000099394 00000 н. 0000100073 00000 н. 0000100756 00000 н. 0000101440 00000 н. 0000102133 00000 п. 0000102842 00000 н. 0000103541 00000 н. 0000104248 00000 п. 0000104950 00000 н. 0000105624 00000 н. 0000106308 00000 п. 0000106979 00000 п. 0000107681 00000 п. 0000108393 00000 п. 0000109091 00000 н. 0000109781 00000 п. 0000110462 00000 п. 0000111150 00000 н. 0000111228 00000 н. 0000111930 00000 н. 0000112629 00000 н. 0000113329 00000 н. 0000114012 00000 н. 0000114700 00000 н. 0000115356 00000 н. 0000116041 00000 н. 0000116718 00000 н. 0000117390 00000 н. 0000118082 00000 н. 0000118771 00000 н. 0000119463 00000 н. 0000120163 00000 н. 0000120862 00000 н. 0000121564 00000 н. 0000122260 00000 н. 0000122954 00000 н. 0000123638 00000 н. 0000125113 00000 н. 0000125464 00000 н. 0000125858 00000 н. 0000128038 00000 н. 0000128396 00000 н. 0000128830 00000 н. 0000130446 00000 н. 0000314337 00000 н. 0000316524 00000 н. 0000517099 00000 н. 0000004620 00000 н. 0000003896 00000 н. трейлер ] / Назад 1011143 / XRefStm 4620 >> startxref 0 %% EOF 757 0 объект > поток hb«c`d«P9 ̀

Терагерцовый когерентный приемник с одним резонансным туннельным диодом

Терагерцовые (ТГц) электромагнитные волны с частотами в диапазоне от 0.От 1 ТГц до 10 ТГц привлекли внимание как передовые рубежи электроники и фотоники и теперь являются предметом междисциплинарных исследований. Были разработаны уникальные потенциальные применения терагерцовых волн, такие как зондирование с высоким разрешением и широкополосная связь 1,2,3,4,5,6,7,8 . Электронные устройства являются первыми кандидатами на создание компактных систем с низким энергопотреблением для распространения таких технологий ТГц диапазона в различных областях. В последнее время появились терагерцовые диоды, такие как лавинообразные ударно-ионизационные диоды 9 , туннельные диоды с временем пролета 10 , диоды Ганна 11 , резонансно-туннельные диоды (RTD) 12,13,14 , диоды с барьером Шоттки 15,16,17 и гетероструктурные барьерные варакторные диоды 18 и ТГц транзисторы, такие как биполярные транзисторы с гетеропереходом 19,20 , транзисторы с высокой подвижностью электронов 21,22,23 и кремний (Si), комплементарный металл-оксидный –Полупроводниковые приборы 24,25,26,27,28 .Были проведены различные исследования для увеличения выходной мощности передатчика (Tx) и чувствительности приемника (Rx) в ТГц диапазоне. Однако работа в ТГц диапазоне по-прежнему остается сложной задачей из-за ограничения скорости устройства, даже несмотря на то, что технологии интегральных схем были сокращены.

Когерентное обнаружение с помощью гетеродина (гетеродина) является эффективным способом повышения чувствительности приемника, включая систему амплитудной модуляции (AM). Для когерентного обнаружения частота и фаза гетеродина должны быть согласованы с таковыми из обнаруженного радиочастотного (RF) несущего сигнала или преобразованного с понижением частоты пилот-сигнала промежуточной частоты (IF) 29 .Одним из основных методов когерентного обнаружения в ТГц диапазоне является цифровая обработка сигнала ПЧ 30 . Другой — синхронизация между Tx и Rx с использованием низкочастотного опорного сигнала с умножителями частоты для операций ТГц 31 . Эти системы сложны и имеют большое энергопотребление.

Для разработки простой системы синхронизации между Tx и Rx, мы можем применить явление блокировки впрыска к автоколебательному смесителю (SOM) как Rx 32 , который представляет собой автоколебательное электронное устройство с не -линейная вольт-амперная характеристика ( I В ), которая также действует как смеситель для демодуляции сигнала данных.Когда принимаемая несущая частота от Tx установлена ​​в пределах диапазона захвата частоты гетеродина, SOM будет синхронизироваться с несущим сигналом, и когерентное обнаружение может быть достигнуто в одном устройстве. Для разработки SOM с синхронизацией с инжекцией для ТГц диапазона необходим основной генератор ТГц.

Здесь мы предлагаем использовать RTD в качестве SOM 33,34 для когерентного детектора ТГц, который обеспечивает основное колебание в ТГц диапазоне. RTD имеет область отрицательной дифференциальной проводимости (NDC), обусловленную квантовым туннельным эффектом в характеристике I V 35,36 .Колебания возникают, когда NDC компенсирует потерю резонансного контура. Генератор, использующий RTD, был впервые реализован в 1984 году с частотой генерации 18 ГГц при 200 К 37 ; после этого частота колебаний была увеличена за счет улучшенной структуры слоев и уменьшенной паразитной емкости. В 1991 году генерация на частоте 712 ГГц была реализована при комнатной температуре 38 , и в настоящее время основная частота колебаний 1,98 ТГц, которая является самой высокой частотой колебаний любого электронного генератора на сегодняшний день, была достигнута при комнатной температуре 39 .Кроме того, RTD могут действовать как высокочувствительные прямые детекторы, поскольку они имеют сильную нелинейность в своих характеристиках I V 40 . Таким образом, RTD могут работать как передатчик, так и как приемник в одном устройстве, регулируя приложенное напряжение смещения. В последние годы сообщалось о различных приложениях, использующих ТГц RTD, включая беспроводную связь 41,42,43,44 , зондирование 45 и формирование изображений 46 . Ранее сообщалось о передаче без ошибок в реальном времени (коэффициент ошибок по битам (BER) <10 −11 ) со скоростью 9 Гбит / с в диапазоне 300 ГГц с системой, использующей RTD 43 .В этой системе в Rx использовалось прямое обнаружение. Одним из факторов, ограничивающих скорость передачи данных беспроводной связи с использованием RTD, является чувствительность Rx. Следовательно, если мы увеличим чувствительность за счет когерентного обнаружения с использованием RTD в качестве SOM с синхронизацией впрыска, скорость передачи данных будет значительно увеличена.

В этой статье мы сначала описываем принципы работы предлагаемой системы когерентного детектирования ТГц диапазона. Затем мы покажем, что обнаруженная мощность может быть улучшена путем внедрения этой системы путем исследования с использованием моделирования схем.Далее мы обсудим изготовление генератора RTD, который колеблется в диапазоне 300 ГГц, и продемонстрируем его работу экспериментально. Результаты показывают когерентные характеристики обнаружения и повышение чувствительности по сравнению с обычным прямым обнаружением. Наконец, мы применяем эту систему к беспроводной связи ТГц и демонстрируем высокоскоростную безошибочную передачу данных.

Принципы работы

В этом разделе мы описываем принципы работы когерентной системы обнаружения.Конфигурация системы почти такая же, как и ранее описанная в исх. 43 . Важным отличием является напряжение смещения, подаваемое на RTD для работы. На рис. 1а, б показаны зависимости между напряжением смещения и принимаемыми сигналами в традиционной системе прямого подключения и системе, предложенной в этом исследовании. В системе прямого обнаружения чувствительность Rx зависит от нелинейности характеристик I V 47 .Нелинейность характеристик термометра сопротивления I В является наибольшей при напряжении, при котором достигается пиковый ток; таким образом, наибольшая чувствительность Rx может быть получена при этом напряжении. Однако в этом состоянии работа RTD становится нестабильной, и шум увеличивается 48 . Кроме того, согласование импеданса в основной полосе частот (BB) сложнее вблизи области NDC, потому что импеданс RTD приближается к бесконечности. Таким образом, когда RTD использовались в качестве прямых детекторов, как показано на рис.1а, получается несколько меньшее напряжение по сравнению с напряжением при пиковом токе.

Рисунок 1

Зависимость между напряжением смещения и принятыми сигналами и результатами моделирования для обнаруженной мощности. ( a ) Напряжение смещения в традиционной схеме установлено за пределами области NDC. Прямое обнаружение осуществляется по нелинейности. ( b ) Напряжение смещения в предлагаемой схеме задается в пределах области NDC. Колебания RTD синхронизируются с принимаемыми сигналами с помощью явления фиксации впрыска.( c ) I V Характеристики и мощность колебаний генератора RTD. ( d ) Результаты моделирования зависимости обнаруженной мощности от смещения. При когерентном обнаружении обнаруженная мощность улучшается на 24 дБ по сравнению с мощностью прямого обнаружения для входной мощности -45 дБмВт и мощности колебаний −11 дБмВт.

Напротив, условие SOM выполняется, когда RTD смещен в пределах области NDC, как показано на рис. 1b. Генератор RTD действует как сигнал гетеродина и может способствовать усилению принимаемого сигнала.Однако колебания от гетеродина не будут заблокированы принятым сигналом. Чувствительность может быть увеличена, но это сделает обнаруженные сигналы нестабильными. Чтобы решить эту проблему, мы используем феномен блокировки впрыска. Когда несущая частота, полученная от Tx, установлена ​​в пределах диапазона захвата генератора RTD, эти сигналы будут синхронизированы, а принятые сигналы добавляются к синфазному сигналу колебаний. Эти сигналы смешиваются нелинейностью в области NDC, и получаются сигналы BB.Как правило, мощность гетеродина и нелинейность влияют на эффективность приема при когерентном обнаружении. Как мощность колебаний (т.е. сигнал гетеродина), так и нелинейность RTD зависят от напряжения смещения; следовательно, должна быть достигнута оптимизация между ними.

Мы оценили зависимость обнаруженной мощности от напряжения смещения с помощью моделирования схемы (см. Методы). При моделировании мы использовали модель RTD, показанную в ссылке. 13 . На рисунке 1c показаны характеристики I V и мощность колебаний RTD, а на рис.1d показывает зависимость обнаруженной мощности от смещения, когда принимаемая мощность сигнала принимается равной -45 дБм, а мощность гетеродина принимается равной -11 дБм. Изменение обнаруживаемой мощности объясняется нелинейностью характеристик I V , что также влияет на мощность колебаний в случае когерентного обнаружения. При прямом обнаружении, как упомянуто выше, обнаруженная мощность становится максимальной вблизи точки поворота. При когерентном обнаружении наибольшая мощность достигается вблизи точки поворота, в которой мощность колебаний является наименьшей.Характеристики аналогичны заявленным для автоколебательного смесителя на туннельных диодах 49 . На границе между прямым и когерентным обнаружением колебания становятся нестабильными, и обнаруженный сигнал не может быть измерен. Наибольшая обнаруженная мощность, достижимая в областях когерентного обнаружения, на 24 дБ выше, чем в областях прямого обнаружения. Результаты моделирования показывают, что улучшение чувствительности Rx возможно с использованием когерентного обнаружения вместо прямого обнаружения.

Изготовление и экспериментальная демонстрация

На рисунке 2 показана фотография изготовленного генератора RTD, который состоит из RTD, антенны, копланарной полосковой линии (CPS), конденсатора металл-диэлектрик-металл (MIM) ( C MIM ) и шунтирующий резистор ( R s ). Его конструкция основана на устройстве в исх. 43 . Однако размер электродной площадки уменьшается, чтобы уменьшить ее влияние на диаграмму направленности. Детали конструкции описаны в дополнительном разделе 2.Кроме того, схема для BB, обеспечивающая напряжение смещения и сигнал данных через соединение проводов (WB), также была улучшена по сравнению с предыдущими публикациями 43 . Схема, использованная в этом исследовании, представляет собой заземленный копланарный волновод (GCPW) с присоединенным торцевым соединителем 2,4 мм. К задней поверхности чипа прикреплена Si суперполусферическая линза с радиусом 6 мм и длиной смещения 2,16 мм. Направленность антенны типа «галстук-бабочка» улучшена за счет Si линзы 43 и составляет около 27 дБи 50 , что было оценено на основе измеренной диаграммы направленности 51 .Для экспериментов мы подготовили 4 прибора. Их подробные характеристики и рисунки, на которых использовалось каждое устройство, описаны в дополнительном разделе 3.

Рисунок 2

Изготовленное устройство RTD. Фотография устройства, состоящего из RTD, антенны-бабочки, CPS, MIM, шунтирующего резистора и цепи BB с GCPW и концевым соединителем.

Сначала мы продемонстрируем работу когерентного обнаружения и повышение чувствительности Rx. Мы описываем детали экспериментальной установки в методах.Мы используем умножитель на стороне Tx и генерируем сигналы диапазона 300 ГГц, амплитуды которых модулируются синусоидальной волной 1 ГГц. На стороне приемника мы обнаруживаем сигналы AM с помощью устройства RTD. Напряжение смещения, приложенное к RTD, составляло 600 мВ, а частота колебаний — 343,3 ГГц. В эксперименте мы изменили несущую частоту, чтобы получить наблюдаемые индивидуальные спектры, когда была и не была синхронизация инжекции. Сначала мы устанавливаем передаваемую несущую частоту 351,3 ГГц, что на 8 ГГц отличается от частоты колебаний RTD.На рис. 3а показаны спектры вводимых сигналов колебаний AM и RTD, а на рис. 3б показаны спектры обнаруженных сигналов. На рис. 3а можно независимо наблюдать спектры сигналов колебаний RTD и вводимых сигналов. Таким образом, колебательные сигналы RTD не привязаны к вводимым сигналам. На рис. 3b можно наблюдать спектры AM-сигналов с центральной частотой 8 ГГц. Это результат автоколебательного перемешивания генератора RTD. Поскольку несущая частота и частота колебаний RTD различны, мы имеем гетеродинное обнаружение.На рисунке 3c показаны результаты максимальных удерживаемых значений центральных спектров сигналов, преобразованных с понижением частоты, через 30 с при использовании режима MAXHOLD анализатора спектра. Наблюдаются колебания частоты 9,5 МГц. Вероятно, это связано с тем, что несущие волны и колебания RTD не синхронизированы, и разница частот между ними не постоянна. Затем мы устанавливаем несущую частоту 343,2 ГГц, что на 0,1 ГГц отличается от частоты колебаний RTD. На рис. 3d показаны спектры вводимых сигналов колебаний AM и RTD, а на рис.3д показаны спектры обнаруженных сигналов. На рис. 3d можно наблюдать только спектры вводимых сигналов, а спектры сигналов колебаний RTD на 343,3 ГГц на рис. 3а не наблюдаются. Это говорит о том, что сигналы колебаний RTD синхронизированы с несущей частотой 343,2 ГГц. На рис. 3e получены сигналы с частотой 1 ГГц, которые являются модулирующими сигналами. Поскольку частоты колебаний несущей и RTD совпадают, выполняется гомодинное обнаружение. На рисунке 3f показаны результаты для максимальных значений удержания обнаруженного сигнала тем же методом, который использовался ранее.Колебания частоты обнаруженных сигналов подавляются до 0,6 МГц или ниже. Вероятно, это связано с тем, что несущие волны и колебания RTD синхронизируются за счет фиксации инжекции, и между ними нет отклонения частоты. Уровень шума на рис. 3f снижен по сравнению с уровнем на рис. 3с, что согласуется с обсуждением синхронизации инжекции в генераторах 52 , тогда как NDC может усиливать шум 53,54,55 . Для дальнейшего количественного анализа шума потребуется теоретическая модель, учитывающая квантовый транспорт и синхронизацию инжекции в RTD-генераторах.Диапазон захвата системы обсуждается в дополнительном разделе 5.

Рис. 3

Диапазон 300 ГГц и спектры детектируемых сигналов при приеме сигналов AM. ( a ) Спектры диапазона 300 ГГц с несущей частотой (CF) 351,3 ГГц. Колебания RTD не привязаны к несущей волне. ( b ) Спектры детектируемого сигнала с несущей частотой 351,3 ГГц. Наблюдались спектры сигналов AM на центральной частоте 8 ГГц. Это результат автоколебательного перемешивания генератора RTD.Поскольку частоты колебаний несущей и RTD различны, мы имеем гетеродинное обнаружение. ( c ) Результаты для максимальных значений удержания центральных спектров обнаруженных сигналов с несущей частотой 351,3 ГГц. ( d ) Спектры диапазона 300 ГГц с несущей частотой 343,2 ГГц. ( e ) Спектры детектируемого сигнала с несущей частотой 343,2 ГГц. ( f ) Результаты для максимальных значений удержания центральных спектров обнаруженных сигналов с несущей частотой 343.2 ГГц.

Далее мы экспериментально покажем, что обнаруживаемая мощность предлагаемого когерентного обнаружения увеличена по сравнению с мощностью прямого обнаружения. Эксперимент проводился путем изменения напряжения смещения, приложенного к RTD; то есть RTD был смещен за пределами области NDC, чтобы действовать как прямой детектор, или внутри области NDC, чтобы действовать как когерентный детектор. Мы устанавливаем напряжения смещения для получения максимальной мощности в каждой области (рис. 1d). На рисунке 4 показана зависимость обнаруженной мощности от мощности Tx для двух условий RTD.Когда RTD смещен внутри области NDC, обнаруженная мощность увеличивается пропорционально квадрату мощности Tx, что типично для квадратичного обнаружения. С другой стороны, когда RTD смещен за пределы области NDC, обнаруженная мощность увеличивается пропорционально мощности Tx, что является характеристикой когерентного обнаружения 29 . При мощности Tx -15 дБм когерентное обнаружение не работает, поскольку условие синхронизации не может быть выполнено. Обнаруженная мощность когерентного состояния больше, чем при прямом обнаружении.Максимальная разница между ними составляет 40 дБ при мощности передачи -15 дБмВт. Эти результаты показывают эффективность предложенной схемы с точки зрения повышения чувствительности Rx. Потери преобразования этого устройства оцениваются примерно в 10 дБ (см. Дополнительный раздел 6).

Рисунок 4

Зависимость между обнаруженной мощностью и мощностью Tx. Обнаруженная мощность была улучшена максимум на 40 дБ по сравнению с обычным прямым обнаружением.

Применение для беспроводной связи ТГц

Мы проводим эксперимент связи ТГц, используя когерентный приемник RTD, чтобы наблюдать влияние чувствительности приемника.Сначала мы сравнили характеристики передачи когерентного обнаружения с характеристиками прямого обнаружения, в которых использовался автономный Tx на основе фотоники. Детали экспериментальной установки описаны в разделе «Методы». На рисунке 5а показана зависимость BER от выходной мощности Tx при скорости передачи данных 10 Гбит / с. Здесь несущая частота была установлена ​​равной частоте колебаний RTD для когерентного обнаружения. RTD был смещен внутри области NDC, чтобы действовать как когерентный детектор, в то время как напряжение смещения за пределами области NDC применялось для некогерентного прямого обнаружения.BER уменьшается с увеличением мощности из-за увеличения интенсивности детектируемого сигнала. Благодаря повышению чувствительности за счет когерентного обнаружения, BER значительно снижается. На рис. 5б, в показаны глазковые диаграммы при скорости передачи данных 27 Гбит / с. Разница амплитуды глазковой диаграммы между когерентным и прямым обнаружением указывает на то, что чувствительность когерентного обнаружения увеличивается примерно на 15 дБ по сравнению с чувствительностью прямого.

Рисунок 5

Результаты эксперимента беспроводной связи с использованием фотомикшера Tx.( a ) Измеренная зависимость BER от выходной мощности Tx при 10 Гбит / с. Благодаря повышению чувствительности, BER успешно снижается за счет когерентного обнаружения. ( b , c) Глазковая диаграмма при прямом и когерентном обнаружении на скорости 27 Гбит / с для мощности передачи -12 дБм, соответственно.

Наконец, мы применяем предложенное когерентное обнаружение ко всем системам беспроводной связи RTD. В этой системе прямая модуляция с амплитудной манипуляцией выполняется путем изменения напряжения смещения, приложенного к RTD на стороне Tx.Мы провели эксперимент по беспроводной передаче несжатого видео высокой четкости 4 КБ 43 , как показано на рис. 6a. Подробная настройка и фильм показаны на дополнительном рисунке S8a и Movie 1 соответственно. Видео передавалось без перерыва, что свидетельствует о безошибочной работе. На рисунке 6b показана зависимость BER от скорости передачи данных и глазковая диаграмма, измеренная при скорости передачи данных 30 Гбит / с. Безошибочная передача сигнала 30 Гбит / с достигается за счет четкой глазковой диаграммы.Насколько нам известно, это самый высокий показатель среди безошибочных беспроводных передач в реальном времени на всех электронных устройствах без исправления ошибок (см. Дополнительную таблицу S3). По мере увеличения скорости передачи данных BER увеличивается, и BER при скорости передачи данных 56 Гбит / с составляет 1,39 × 10 −5 . Ширина полосы BB системы по 3 дБ составляет 19 ГГц (дополнительный рисунок S8c). Скорость передачи данных может быть увеличена за счет расширения полосы пропускания BB.

Рисунок 6

Результаты эксперимента по беспроводной связи с использованием RTD Tx.( a ) Фотография передачи видео 4 K с использованием RTD Tx и Rx. ( b ) Измеренный BER в зависимости от скорости передачи данных и глазковой диаграммы при 30 Гбит / с. Достигнута безошибочная беспроводная передача со скоростью 30 Гбит / с.

Схема детектора соотношения

| Операция

Цепь детектора соотношения

:

В дискриминаторе Фостера-Сили изменения величины входного сигнала приводят к изменениям амплитуды результирующего выходного напряжения. Это делает необходимым предварительное ограничение.Можно модифицировать схему дискриминатора для обеспечения ограничения, чтобы можно было отказаться от ограничителя амплитуды. Модифицированная таким образом схема называется схемой датчика отношения.

Как мы сейчас, сумма V ao + V bo остается постоянной, хотя разница меняется из-за изменений входной частоты. Это предположение не совсем верно. Отклонение от этого идеала не приводит к чрезмерным искажениям в схеме детектора соотношения, хотя некоторые искажения, несомненно, вносятся.Отсюда следует, что любые изменения величины этого суммарного напряжения можно рассматривать здесь как ложные. Их подавление приведет к появлению дискриминатора, на который не влияет амплитуда входящего сигнала. Следовательно, он не будет реагировать на амплитуду шума или паразитную амплитудную модуляцию.

Теперь осталось убедиться, что суммарное напряжение поддерживается постоянным. К сожалению, в фазовом дискриминаторе этого сделать нельзя, и схему необходимо модифицировать. Это было сделано на Рисунке 6-41, который представляет схему детектора соотношения в ее основе.форма. Это используется, чтобы показать, как схема является производной от дискриминатора, и объяснить его работу. Видно, что были внесены три важных изменения: один из диодов был перевернут, большой конденсатор (C 5 ) был помещен напротив того, что раньше было выходом, и теперь выход взят из другого места.

Операция:

С перевернутым диодом D 2 , o теперь положительно по отношению к b ’, так что V a’b ‘ теперь представляет собой суммарное напряжение, а не разницу, которая была в дискриминаторе.Теперь можно подключить большой конденсатор между a ’и b’, чтобы это суммарное напряжение оставалось постоянным. После подключения C 5 становится очевидно, что V a’b ‘ больше не является выходным напряжением; таким образом, выходное напряжение теперь берется между o и o ‘. Теперь необходимо заземлить одну из этих двух точек, и это оказывается более удобным, как будет видно при работе с практической схемой датчика отношения. Принимая во внимание, что на практике R 5 = R 6 , V o рассчитывается следующим образом:

Уравнение (6-21) показывает, что выходное напряжение детектора отношения равно половине разницы между выходными напряжениями отдельных диодов.Таким образом (как и в фазовом дискриминаторе) выходное напряжение пропорционально разнице между отдельными выходными напряжениями. Таким образом, схема детектора отношения ведет себя идентично дискриминатору при изменении входной частоты. S-образная кривая на рисунке 6-40 одинаково применима к обеим цепям.

Ограничение амплитуды детектором отношения:

Таким образом установлено, что детектор отношения ведет себя так же, как фазовый дискриминатор, когда входная частота изменяется (но входное напряжение остается постоянным).Следующий шаг — объяснить, как схема детектора соотношения реагирует на изменения амплитуды. Если входное напряжение V 12 является постоянным и было таковым в течение некоторого времени, C 5 смог зарядиться до потенциала, существующего между a ’и b’. Поскольку это постоянное напряжение, если V 12 является постоянным, не будет тока, протекающего для зарядки конденсатора или вытекающего для его разряда. Другими словами, входной импеданс C 5 бесконечен. Таким образом, полное сопротивление нагрузки для двух диодов является суммой R 3 и R 4 , поскольку на практике они намного меньше, чем R 5 и R 6 .

Если V 12 пытается увеличиться, C 5 будет иметь тенденцию противодействовать любому повышению V o . Однако способ, которым он это делает, заключается не только в том, чтобы иметь достаточно длительную постоянную времени, хотя это, безусловно, является частью операции. Как только входное напряжение пытается подняться, протекает дополнительный ток через диод, но этот избыточный ток течет в конденсатор C 5 , заряжая его. Напряжение V a’b ‘ сначала остается постоянным, потому что напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться.Теперь ситуация такова, что ток в диодной нагрузке вырос, но напряжение на нагрузке не изменилось. Напрашивается вывод, что сопротивление нагрузки уменьшилось. Вторичная обмотка трансформатора детектора соотношения демпфируется сильнее, добротность падает, как и усиление усилителя, управляющего схемой детектора соотношения. Это аккуратно противодействует начальному повышению входного напряжения.

Если входное напряжение упадет, ток диода упадет, но сначала не будет напряжение нагрузки из-за наличия конденсатора.Эффект заключается в увеличении импеданса нагрузки диода; ток диода упал, но напряжение нагрузки осталось постоянным. Соответственно, демпфирование уменьшается, и коэффициент усиления управляющего усилителя увеличивается, на этот раз противодействуя начальному падению входного напряжения. Детектор отношения обеспечивает так называемое диодное регулируемое демпфирование. У нас есть система изменения коэффициента усиления усилителя путем изменения демпфирования его настроенного контура. Это поддерживает постоянное выходное напряжение, несмотря на изменения амплитуды входного сигнала.

Практические схемы:

Используются многие практические варианты детектора соотношения. Рисунок 6-41, возможно, лучше всего подходит для объяснения задействованных принципов и демонстрации сходства с фазовым дискриминатором. Это отнюдь не самая практичная схема. Существует два типа используемых схем датчика соотношения: сбалансированные и несимметричные. Сбалансированный тип, вероятно, является лучшей и наиболее часто используемой версией, и его форма показана на рис. 6-42.

Третичная обмотка L 3 служит той же цели, что и катушка L 3 в основной цепи вместе с конденсатором C.Первичное напряжение снова подключается к центральному отводу L 2 , и есть полное сопротивление, на котором оно возникает. Фактически это усовершенствование исходного соединения, потому что L 3 также используется для согласования вторичной обмотки с низким импедансом с первичной, работа которой улучшается, если ее динамическое сопротивление становится высоким. Другими словами, L 3 дает скачок напряжения, чтобы предотвратить слишком сильное демпфирование первичной обмотки действием детектора соотношения. Такое устройство можно также использовать с фазовым дискриминатором, хотя потребность в нем не так велика.Это означает, что очень легко преобразовать практическую схему детектора отношения в дискриминатор, и наоборот.

Резисторы R 5 и R 6 , показанные на Рисунке 6-41, не используются. Они заменены компоновкой, в которой точка o исходной схемы по-прежнему является единственной точкой для RF (C F — конденсатор обхода RF, соединяющий переход C 3 — C 4 с землей для RF), но для постоянного тока он был разделен на две точки. Выходное напряжение такое же, как и раньше, и рассчитывается аналогичным образом.Два делителя напряжения теперь: C 3 — C 4 и R 3 — R 4 , вместо R 3 — R 4 и R 5 — R 6 . Сохранились два резистора.

Схема, состоящая из двух конденсаторов C F и резистора R F , представляет собой фильтр нижних частот, предназначенный для удаления РЧ пульсаций из аудиосигнала, точно так же, как соответствующий фильтр в AM-детекторе. Оба диода на чертеже перевернуты, так что верхняя часть C 5 теперь отрицательна для постоянного тока.С этого момента можно использовать автоматическую регулировку усиления для остальной части приемника.

Необходимость дальнейшего ограничения:

Постоянная времени нагрузочных резисторов, подключенных параллельно большому конденсатору, довольно велика. Схема не будет реагировать ни на быстрые изменения амплитуды из-за импульсов шума, ни на более слабые изменения амплитуды из-за паразитной амплитудной модуляции. Типичные значения компонентов: R 3 + R 4 = 15 кОм и C 5 = 8 мкФ, что дает постоянную времени 120 мс.Постоянная времени, намного меньшая, чем это, приведет к несоответствию.

Таким образом, очевидно, что схема детектора соотношения будет отслеживать очень медленные изменения амплитуды входного сигнала. Таким образом, схема не будет ограничивать изменения мощности несущей из-за изменений мощности сигнала, вызванных замиранием или переходом от одной станции к другой. Помехи, создаваемые самолетом, с частотой 15 Гц и менее также попадают в эту категорию. Важно понимать, что АРУ необходима в приемнике, который включает в себя детектор соотношения.В телевизионных приемниках это напряжение АРУ поступает от видеодетектора, который является детектором АМ и более удобным источником АРУ. В FM-приемниках AGC можно получить с помощью самого детектора отношения, поскольку напряжение в верхней части C 5 на Рисунке 6-42 будет изменяться с изменениями силы сигнала.

Очень часто также требуется дальнейшее ограничение, особенно в широкополосных приемниках FM-вещания. Это связано с тем, что добротность настроенных цепей трансформатора схемы детектора отношения довольно низкая.Эффект заключается в том, что переменное демпфирование не оказывает такого большого влияния на коэффициент усиления управляющего усилителя, как это было бы в узкополосной системе. Это особенно верно, когда входной сигнал увеличивается, а демпфирование пытается еще больше уменьшить Q. Частичным решением является использование смещения утечки для управляющего усилителя в дополнение к хорошей системе АРУ. В качестве альтернативы, перед детектором соотношения может быть использована полная стадия ограничения.

Функциональность и технология ультразвуковых датчиков

  • Продукты
    • Обнаружение объекта Обнаружение объекта

      Датчики, датчики приближения и световые барьеры для обнаружения объектов и положения.

    • Измерение расстояния Измерение расстояния

      Датчики для определения расстояний и информации о расстоянии от микрометров до 60 м.

    • Датчики Smart Vision Датчики Smart Vision

      Простота в обращении и реализация эффективных задач контроля и управления, а также робототехники с визуальным контролем.

    • Промышленные камеры / обработка изображений
    • Идентификация
    • Датчики вращения / датчики угла
    • Датчики наклона / ускорения
    • Датчики процесса Датчики процесса

      Автоматизация технологических процессов с помощью преобразователей, датчиков и измерительного оборудования для параметров давления, температуры, уровня заполнения, расхода и проводимости газообразных, жидких, пастообразных и сыпучих сред.

    • Датчики силы и тензодатчики
    • Регулировка формата Регулировка формата

      Отображение и регулировка положения упоров и форматов в машинах и системах.

    • Счетчики / дисплеи Счетчики / дисплеи

      Сбор, отображение и управление данными процесса и измеренными значениями, такими как номера единиц, время, скорости вращения и положения.

    • Аксессуары Аксессуары

      Всегда подходящий аксессуар для вашего датчика и вашего приложения.

    • Кабель / Связь
  • Решения
  • Компания
  • Карьера
  • Служба поддержки
Ультразвуковые датчики

— это универсальные датчики в мире, которые подходят практически для любых задач обнаружения в промышленных приложениях. Обнаруживаемые объекты могут быть твердыми, жидкими, гранулированными или порошкообразными. Они надежно обнаруживают прозрачные или глянцевые объекты, а также объекты изменяющегося цвета.Будучи чрезвычайно устойчивыми к загрязнениям, эффективность ультразвуковых датчиков проявляется особенно в суровых рабочих условиях, поскольку на надежность процесса не оказывает негативного влияния пыль, дым, туман и т. Д.


Принцип работы датчика

Большинство ультразвуковых датчиков основаны на принципе измерения времени распространения звука между отправкой и получением (бесконтактный переключатель). Принцип барьера определяет расстояние от датчика до отражателя (световозвращающий датчик) или до объекта (датчик пересечения луча) в диапазоне измерения.

Бесконтактные переключатели

Ультразвуковые датчики приближения — это простейшая форма ультразвукового обнаружения объектов. Передатчик и приемник объединены в один корпус. Ультразвук отражается непосредственно от измеряемого объекта на приемник. Ультразвуковые датчики с функцией обучения отличаются от обычных типов тем, что они предлагают более простое и разнообразное управление простым нажатием кнопки.

Типичные области применения:

  • Измерение расстояния
  • Измерение высоты штабеля

Датчики на отражение от рефлектора

Светоотражающий датчик работает по тому же принципу, что и ультразвуковой датчик приближения.Измерение распространения звука определяет расстояние от датчика до отражателя или до объекта в диапазоне измерения. В качестве отражателя может использоваться любой звукоотражающий, неподвижный объект.

Типичные области применения:

  • Объекты неправильной формы и наклонные
  • Звук отклоняющие целевые объекты
  • Звукопоглощающие материалы, такие как хлопок и поролон

Сквозные лучевые датчики

Ультразвуковые датчики на пересечение луча имеют короткое время отклика и большой диапазон.Передатчик и приемник размещены в двух отдельных корпусах. Передатчик постоянно излучает звуковые волны через воздух в приемник. Приемник переключается через выходной каскад, когда объект прерывает звуковые волны.

Типичные области применения:

  • Обнаружение объектов в быстрой последовательности
  • Подсчет объектов из материалов, которые трудно обнаружить (стеклянные контейнеры, ПЭТ-бутылки)
  • Мониторинг прозрачных материалов
  • Мониторинг разрыва пленки
  • Мониторинг уровня в резервуарах и силосы


Ультразвуковые датчики приближения

Устройство и работа

Для ультразвуковых датчиков приближения используется специальный звуковой преобразователь, который позволяет попеременно передавать и принимать звуковые волны.Звуковые волны, излучаемые преобразователем, отражаются объектом и принимаются обратно в преобразователь. После излучения звуковых волн ультразвуковой датчик переключится в режим приема. Время, прошедшее между излучением и приемом, пропорционально расстоянию от объекта до датчика.

Цифровой выход

Обнаружение возможно только в зоне обнаружения. Требуемый диапазон чувствительности можно отрегулировать с помощью потенциометра датчика или с помощью электронного обучения (кнопка обучения или дистанционное обучение).Если объект обнаружен в пределах установленной области, выход изменит состояние, которое визуализируется встроенным светодиодом.

Обнаружение цели

Звуковые волны лучше всего отражаются от твердых поверхностей. Мишени могут быть твердыми, жидкими, гранулированными или порошковыми. Как правило, ультразвуковые датчики используются для обнаружения объектов, где оптическим принципам не хватает надежности.

Стандартная цель

Стандартная цель определяется как квадратный плоский объект следующих размеров:

  • 15 x 15 мм для Sde до 250 мм
  • 30 x 30 мм для Sde до 1000 мм
  • 100 x 100 мм для Sde> 1000 мм

Мишень должна быть установлена ​​перпендикулярно оси датчика.

Размер

Для надежного обнаружения объекта отраженный сигнал должен быть достаточно сильным. Интенсивность сигнала зависит от размера объекта. При использовании стандартного объекта доступно полное расстояние сканирования Sd.

Поверхность

Обнаружение звукопоглощающих материалов приведет к сокращению максимального расстояния срабатывания. Максимальное расстояние срабатывания может быть достигнуто, если максимальная шероховатость объекта не превышает 0,2 мм.

Типичные звукопоглощающие материалы:

  • поролон
  • хлопок / шерсть / ткань / войлок
  • очень пористые материалы
Профили звукового конуса

Диаграммы профилей звуковых конусов, содержащиеся в спецификациях этого каталога, представляют собой активные чувствительные области для ультразвуковых датчиков. На диаграммах показаны боковые звуковые лепестки ближнего действия, которые увеличивают угол раскрытия датчика на близком расстоянии. Из-за звукопоглощения и диффузии воздуха лепестки уменьшаются на больших расстояниях.Размер, форма, свойства поверхности и направление обнаружения цели очень сильно влияют на боковую зону обнаружения ультразвукового датчика. Профили звукового конуса применимы ко всему семейству продуктов, например профиль 100-1000 мм является репрезентативным для всех связанных датчиков одного диапазона срабатывания — цифровых или аналоговых выходов и т. д.

Метод измерения

Стандартные квадратные мишени из стали используются для определения формы типичных конусов звукового конуса.

  • 15 x 15 мм для Sde до 250 мм
  • 30 x 30 мм для Sde до 1000 мм
  • 100 x 100 мм для Sde> 1000 мм

Мишени расположены перпендикулярно опорной оси датчика, подходил боком на разное расстояние. Затем строится профиль звукового конуса путем соединения измеренных точек линией. Форма конуса может меняться при обнаружении объектов круглой или другой формы.


Ультразвуковые датчики на отражение от рефлектора

Устройство и работа

Ультразвуковой датчик с отражением от рефлектора работает аналогично ультразвуковому датчику приближения.Расстояние от датчика до отражателя или до объекта в пределах расстояния срабатывания определяется путем измерения времени распространения. В качестве отражателя можно использовать любой звукоотражающий, неподвижный объект. Расстояние срабатывания Sd (датчик расстояния-отражатель) можно отрегулировать в соответствии с заданными условиями с помощью потенциометра датчика. Пока измеренное время распространения ультразвукового сигнала соответствует расстоянию от датчика до отражателя, устройство находится в неактивном состоянии. Когда объект приближается к зоне обнаружения, время распространения изменяется, и датчик переходит в активное состояние.Это также позволяет обнаруживать звукопоглощающие и звукопоглощающие объекты.

Обнаружение объекта

Стандартный объект / отражатель

Стандартная цель определяется как квадратный ровный объект с длиной кромки 30 мм (Sde> 1000 мм: длина кромки 100 мм, Sde ≥ 2500 мм: длина кромки 300 мм), который перпендикулярен базовой оси датчика. Отражатель должен быть изготовлен из материала с хорошими звукоотражающими свойствами и быть по крайней мере такого же размера, как и цель.

Объект с близкого расстояния

Для надежного обнаружения звуковой конус должен быть полностью закрыт, чтобы от отражателя не возвращалось эхо. Необходимый для этого диаметр объекта должен быть не менее 30 мм в УРДК 30 и не менее 100 мм в УРАМ 50.

Объект в остальном рабочем диапазоне

Для надежного обнаружения объекта отраженный сигнал должен быть достаточно сильным. Сила отраженного сигнала зависит от размера объекта.Для стандартного объекта или большего размера доступно полное расстояние срабатывания Sd.

Преимущества
  • Простое обнаружение даже для 100% звукопоглощающих материалов
  • Надежное обнаружение звукоизолирующих объектов
  • Отсутствие слепых зон перед датчиком для объектов ≥ стандартного объекта


Ультразвуковые сквозные лучевые датчики

Устройство и работа

Излучатель и приемник находятся в двух отдельных корпусах.Непрерывный сигнал излучателя улавливается приемником. Объект, прерывающий звуковой луч, заставит приемник отреагировать, выдав выходной сигнал. При необходимости пользователь может настроить усиление входного сигнала. Когда объект прерывает звуковой луч, приемник реагирует и выдает выходной сигнал.

С помощью встроенного потенциометра пользователь может при необходимости отрегулировать усиление входного сигнала.

Состояние выходного каскада, а также интенсивность сигнала отображаются светодиодом.

Угол звукового луча α

Угол звукового луча (α) определяет границы излучаемого конического луча ультразвукового датчика сквозного луча.

Повторяемость

Из-за малого угла звукового луча повторяемость точки переключения двух последовательных целей при идентичных условиях лучше 3 мм.

Гистерезис

Гистерезис — это разница между рабочей точкой (S1) и точкой срабатывания (S2). Если объект прерывает звуковой луч, уровень сигнала необходимо увеличить примерно на 75%, чтобы сбросить выходной сигнал.Поэтому объекты, которые следуют друг за другом в быстрой последовательности, могут быть легко обнаружены.


Ультразвуковые датчики расстояния

Устройство и работа

Датчик обеспечивает пропорциональный расстоянию аналоговый выход по току или аналоговому напряжению, что позволяет легко выполнять бесконтактное измерение расстояния. На основе метода импульсного эха измеренное значение расстояния выводится как значение напряжения. Выходной ток или выходное напряжение пропорциональны расстоянию до обнаруживаемого объекта.

Для датчиков измерения расстояния выходной ток или выходное напряжение пропорциональны расстоянию до обнаруживаемого объекта. Крутизна выходной кривой может быть изменена в зависимости от датчика с помощью потенциометра, обучения или qTeach и оптимально адаптирована к соответствующему применению. В приложениях с длинными кабелями, где могут быть помехи EMI или RFI, следует использовать датчики с аналоговым токовым выходом.


Вас также может заинтересовать

Монтаж ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики

Обнаружение объекта
  • Исключительно быстрый, компактный и прочный в одном устройстве
  • Не зависит от яркости, цвета или прозрачности объекта
  • Невосприимчив к пыли, влаге или окружающему свету
Открыть в селекторе продуктов

Ультразвуковые датчики расстояния

Измерение расстояния
  • Маленькие и легкие конструкции
  • Измерения в очень маленьких контейнерах или отверстиях
  • Большой диапазон измерения до 6000 мм
  • Прочные датчики для сложных условий
Открыть в селекторе продуктов Наверх .

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *