Elektronika Előadás. Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

Átírás

1 Elektronika Előadás Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők Irodalom - Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Rorabaugh Ch: Modulation and Demodulation, Springfield, 2000

2 Analóg moduláció Hordozó: Amplitúdó-moduláció(AM): Frekvencia-moduláció (FM): Fázis-moduláció (PM) Amplitúdó-modulált jel

3 Analóg moduláció Frekvencia-modulált jel Fázis-modulált jel

4 Digitális moduláció Amplitúdó-kódolás (ASK amplitude shift keying) Frekvencia-kódolás (FSK frequency shift keying) Fázis-kódolás (PSK phase shift keying)

5 Analóg amplitúdó-modulátoros adókészülék Kollektor-modulált C osztályú, ellenütemű erősítő.

6 Két oldalsávos (DSB: double sideband) modulátor Sávszűrő áteresztő tartománya

7 Egy oldalsávos (SSB: single sideband), hordozómentes (suppressed carrier) modulátor

8 Egy oldalsávos (SSB: single sideband), hordozómentes (suppressed carrier) modulátor fáziseltolással

9

10

11 Lock-in erősítők Cél: zajos jelből kinyerni a hasznos összetevőt. Megoldás: a hasznos jel transzlációja olyan (általában magasabb) frekvenciatartományba, ahol kevesebb a zaj és hatékonyabban kiszűrhető - például: optikai szaggató, frekvencia-moduláció; csak a moduláló frekvencián történik detekció, a többi sávban jelenlevő zaj időbeli átlaga nulla; demodulátorral és aluláteresztő szűrővel nyerhető ki a jel.

12 Optikai transzmisszió-mérés Mérési elrendezés Tipikus frekvenciaspektrum kevéssé fényáteresztő minta esetén

13 Optikai transzmisszió-mérés szaggatóval Mérési elrendezés A hasznos jel alacsonyabb hátterű sávba került, a mérés lényegesen jobb jel-zaj viszonyt biztosít. A hangolt erősítő hátrányai: - a jósági tényező: Q = f k /Df nem elég nagy; - a mérés könnyen elhangolódik; - az egyenirányító a zajt hozzáadja a hasznos jelhez.

14 Optikai transzmisszió-mérés szaggatóval és fázisérzékeny detektorral Szinkron egyenirányítás A sávszélesség Df = 1/4RC. Nagy időállandóval nagy jósági tényező biztosítható. A szűrő központi frekvenciája szorosan a szaggató frekvenciához kapcsolt (lock-in), nem hangolódhat el.. Az elektronikus zaj nullára átlagolódik, nem eredményez egyenáramú összetevőt a kimeneten.

15 Lock-in erősítés elve

16 Demoduláció / keverés Referencia szinuszjellel szorozzuk a bemenő jelt. Két szinuszjel összege interferenciát eredményez. Két szinuszjel szorzatában a két frekvencia összege és különbsége található. Ha a két frekvencia közel egyenlő: alacsonyfrekvenciás lüktetést eredményez. Szorzat Két szinuszjel Összeg szinteltolás és erősítés

17 Demoduláció / keverés A lüktetés frekvenciája nullához közelít, ha a két frekvencia egyenlővé válik Referencia 1 Jel frekvencia / referencia frekv. Mixer kimenet

18 Fázis-érzékeny detektálás A frekvenciák azonosak Referencia = sin(2pft) Jel= sin(2pft + f) f fáziskülönbség Szorzat= cos(f) - cos(2pft) Referencia jel Fáziskülönbség f 0 Szorzat - jelalak 0.2 p 0.4 p 0.6 p 0.8 p p

19 Fázis-érzékeny detektálás

20 Fázis-hangolás Referencia jel fázisának szabályozása Tartomány: Hangolási feltétel: maximális DC kimenet

21 Referencia jelforrás Belső referencia - stabil referencia frekvencia Külső referencia A rendszertől jön a referencia jel például szaggató (chopper) A belső referencia a rendszerreferenciára kapcsolódik (lock-in) PLL: phase locked loop (fáziszárt hurok)

22 Analóg keverő (mixer) Direkt szorzás pontos nem elég nagy dinamika gyenge jel Kapcsoló mixer nagy dinamikus tartomány de: a felharmonikusokat is demodulálja

23 Digitális keverő (mixer) Bemenő jel mintavételezése (ADC) Numerikus jelszorzás a processzorban Kimenőjel előállítása DA konverterrel (DAC) Előnyök: nagy műveleti pontosság nincs DC drift az aluláteresztő szűrőkben digitális jelkondícionálás Korlátok: zajos jel kinyeréséhez 32 bit-es ADC kell nem lehetséges 32 bites mintavételezés 100 khz-en Lassú szervók hajtásához tökéletes például: lassú folyamatok irányítása, hőmérséklet-szabályozás