Нелинейная обработка сигнала. Детекторы среднеквадратического значения. Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование

ления (например, -90 дБ) на частоте непрозрачности заграждающего филь­тра выходной сигнал очень мал (например, 30 мкВ на выходе при 1 В на входе) и состоит, главным образом, из шума и помех. Несмотря на это, мы все же можем восстановить измеряемый сигнал, даже в том случае, когда он ниже уровня шума, так как в синхронном усилителе будет усилена только та частотная составляющая входного сигнала, которая в фазе с опорным сиг­налом; остальные составляющие сигнала будут отфильтрованы.

На рис. 3.47 показан другой пример применения синхронного усилителя. Термометр излучения (пирометр) состоит из датчика инфракрасного излу­чения и вогнутого зеркала, на которое падает инфракрасное излучение, испускаемое измеряемым объектом. Поток излучения делается «прерывис­тым» с помощью прорезей во вращающемся диске. Задняя сторона диска покрыта отражающим слоем, так что датчик «видит» сам себя, когда пря­мой путь от измеряемого объекта прерван. Таким образом, температура де­тектора изменяется скачком от значения, являющегося мерой температуры поверхности объекта Т_т, до (собственной) температуры датчика Т₀. Прорези в диске сделаны симметрично относительно центра, поэтому фотодиод, расположенный диаметрально противоположно датчику, освещается одно­временно с ним, создавая, таким образом, опорный сигнал для синхрон­ного усилителя. Через  усилитель  пройдет только  та   составляющая  малого входного  сигнала,  которая находится

в фазе с опорным сигналом. Эта со­ставляющая является надежной мерой разности температур Т_т— Т₀ и нечув­ствительна к помехам.

Наконец, рис. 3.48 демонстрирует применение синхронного усилителя совместно с преобразователем. Как показано на рисунке, смещение Δх изме­ряется с помощью дифференциального конденсатора, который вместе с трансформатором образует мостовую схему. Эта конструкция позволяет вы­полнять чрезвычайно чувствительные измерения, поскольку отфильтровы­ваются все шумы, помехи и искажения, фазы которых не совпадают с фа­зой сигнала, возбуждающего мост.

Мы видели, что синхронный усилитель должен содержать синхронный детектор. Этот детектор можно представить как схему умножения, в которой перемножаются входной сигнал u_i(t)=ŭ_icos(ω_it+ф)  и опорный сигнал u_r(t)=  =ŭ_r cos(ω_rt). Затем полученный сигнал проходит через фильтр нижних частот. Сигнал на выходе перемножителя равен

Он содержит составляющие на частотах, равных сумме ()   и раз­ности частот входного и опорного сигналов. Составляющая сум­марной частоты удаляется фильтром нижних частот, поэтому остается толь­ко составляющая разностной частоты:

В случае синхронного детектированияСледовательно выходной сигнал имеет вид:

Как показано на рис. 3.49, спектр входного сигнала с шириной полосы 2 f₀ , расположенный симметрично относительно опорной частоты f_r =ω_r /2π , при детектировании  с помощью  схемы  умножения и фильтра нижних час­тот (с частотой среза f₀ по уровню 3 дБ) переносится в диапазон низких частот от  0      Гц до f_a. Ширина полосы f₀выбирается достаточно большой, чтобы допускалось изменение входного сигналам,  во времени. Ею оп-

ределяется также время установления. Чтобы получить лучшее время установ­ления можно выбрать полосу фильтра больше, чем это необходимо (но за счет более зашумленного отклика).

Напряжение на выходе схемы перемножения зависит также от фазы сиг­нала. Обычно для получения максимальной чувствительности разность фаз между входным и опорным сигналами выбирается равной нулю.

Амплитуда    опорного сигнала u_r (t) должна быть определена очень точ­но, поскольку чувствительность схемы