Преобразование сигналов с использованием функциональных преобразователей

Будь благословенно божественное число,

породившее богов и людей.

Пифагор

 глава 12

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗователей

12.1.        Изучаемые вопросы

Параметрические элементы. Сходство и различие в основных свойствах параметрических и нелинейных цепей. Реализация активных параметрических цепей [1, 10.1¼10.4; 2, 12.1].

Единый подход к преобразованию сигналов как математической операции, осуществляемой функциональным преобразователем. Виды и характеристики функциональных преобразователей (ФП). Основные преобразования формы и спектра сигналов с использованием аналоговых перемножителей сигналов (АПС) в интегральном исполнении. Применение АПС в различных областях радиоэлектроники (конспект лекций).

Указания. Вопросы построения ФП, их характеристики, применение ФП и, в частности АПС, в радиоэлектронике – все это подробно рассмотрено в [19, 20].

В настоящем разделе приводятся задачи по преобразованиям сигналов только с использованием АПС и ОУ – универсальных ФП в ряду радиотехнических схем.

Задачи по прохождению сигналов через резистивные параметрические цепи и по преобразованию частоты в них даны в работе [6].

12.2. Краткие теоретические сведения

Для преобразования сигналов кроме традиционных НЭ используются также ФП (рис. 12.1).

ФП – это интегральные микросхемы из комбинаций элементов (R, L, C) и полупроводниковых приборов, представляющие конструктивно неделимые узлы и предназначенные для выполнения математических операций.

ФП могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Ниже речь пойдет об аналоговых ФП, использование которых целесообразно при разработке радиотехнических, информационно-измерительных и вычислительных систем, работающих с аналоговыми сигналами в реальном масштабе времени.

Рис. 12.1

Каждый ФП описывается своими внешними характеристиками: метрологическими и функциональными. Одной из основных функциональных характеристик ФП является математическая операция.

Универсальный ФП – это безынерционная нелинейная или параметрическая цепь, в которой выполняется математическая операция

,                                        (12.1)

где  – масштабный коэффициент, а  – заданная функция, обеспечиваемая соответствующей схемой включения ФП и внешних резисторов.

При  ФП представляет собой перемножитель сигналов, при  – делитель, при  и  – квадратор и т. д.

Другой важной характеристикой ФП является область допустимых значений входных переменных , , при которых выходная величина не выходит за пределы: .

Среди разнообразных универсальных ФП главным по применимости является операционный усилитель (ОУ), выполняющий многие линейные математические операции: масштабирование, сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и др. В настоящее время ОУ широко используются в активных фильтрах, сумматорах, интеграторах, дифференциаторах (задачи даны в разд. 5.3 и 6.3 книги [28]), генераторах (разд. 11.3), компараторах, системах АРУ, мультиплексорах и т. п.

Второе место по использованию в аналоговой технике после ОУ занимает аналоговый перемножитель сигналов (АПС). Основное его назначение – это выполнение операции перемножения сигналов

*,                                    (12.2)

где  – выходное напряжение; ,  – входные напряжения, приложенные ко входам  и  соответственно, при этом по каждому входу и выходу

.                                    (12.3)

При объединении входов перемножитель возводит в квадрат приложенное к ним напряжение. АПС типа К525ПС2 и К525ПС3 могут функционировать, кроме того, в режимах деления и извлечения корня (при этом используется и вход z АПС), а К525ПС3 – еще и в режиме вычисления разности квадратов.

Функциональные схемы преобразования показаны на рис. 12.2, а принципиальные схемы с типовыми включениями микросхем и основные характеристики АПС – в прил. П.12.

Рис. 12.2

На базе АПС могут быть реализованы такие преобразования сигналов, как усиление, умножение и деление частоты, амплитудная модуляция (включая балансную), различные виды детектирования АМС (линейное, квадратичное, синхронное), детектирование ЧМК и ФМК, преобразование частоты и др.

АПС можно рассматривать как параметрическую цепь с коэффициентом усиления . Если подать на один вход перемножителя (или делителя) входной сигнал , а на другой напряжение , регулирующее усиление, то амплитуда выходного напряжения перемножителя (делителя)

,                           (12.4)

или

.                         (12.5)

Если в (12.4) и (12.5) коэффициент усиления сделать зависимым от амплитуды входного  или выходного  сигналов, то возможно динамическое управление уровнем выходного напряжения, которое широко используется в радиоэлектронной аппаратуре для повышения помехоустойчивости.