Разработка измерителя фазы сигнала на выходе приёмника оптического излучения

Определение спектра частот узкополосного электрического фильтра измерителя фазы сигнала. Характеристики входного каскада приёмника оптического излучения. Расчет усилителя-ограничителя, усилителя-дифференциатора, выбор триггера, фильтра нижних частот.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид контрольная работа
Язык русский
Дата добавления 28.05.2013
Размер файла 173,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

приёмник оптический сигнал

Разработать измеритель фазы сигнала на выходе приёмника оптического излучения.

Исходные данные

Тип фотоприемника

ФД 256

Рабочая длина волны

л = 0,8 мкм

Постоянный поток

Вт

Переменный световой поток

Вт

Погрешность измерения

1%

Параметры фотоприемника ФД 256

Материал ФЧ-слоя

Si

Спектральный диапазон

0,4 - 1,1 мкм

Область max чувствительности

0,8 - 0,9 мкм

Диаметр ФЧ-слоя

4,3

Uраб

10 В

Темновой (постоянный) ток IT

5 мкА

Пороговая чувствительность

Интегральная чувствительность

0,45 А/Вт

Постоянная времени

0,01 мксек

Введение

Одним из методов анализа изображения, создаваемого оптической системой прибора, является растровая модуляция. Растр размещается в картинной плоскости оптической системы и перемещается относительно источника излучения. На приемник, находящийся за растром, падает модулированное излучение, причем амплитуда и фаза модуляции зависят от положения и интенсивности излучения. Структурная схема такого оптико-электронного прибора представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема оптико-электронного прибора.

Структурная схема электрической части прибора представлена на рис.2.

Рис.2. Структурная схема электрической части прибора.

Нас интересует именно электрическая часть прибора. Согласно техническому заданию, требуется разработать измеритель фазы сигнала на выходе приемника излучения. Для измерения фазы сигнала от 0 до фазовый и синхронный детектор непригодны, так как позволяют измерять только малые значения фазы (). При измерении фазы используют метод, основанный на преобразовании синусоидального сигнала в импульсный и измерении временного интервала между импульсами принимаемого и опорного сигнала. Опорный сигнал создается фиксированным источником излучения, модулируется растром, который вращается синхронно с растром измеряемого сигнала. Для уменьшения погрешности измерения канал опорного напряжения строится аналогично каналу измеряемого сигнала.

Разработку измерителя фазы сигнала на выходе приемника излучения будем осуществлять в следующем порядке:

1. Определение параметров узкополосного электрического фильтра (резонансной частоты и полосы пропускания ) и его расчет.

2. При необходимости использования рассчитываем входной каскад.

3. Выбор и расчет усилителя-ограничителя сигналов.

4. При необходимости выбор и расчет основного усилителя.

5. Выбор и расчет усилителя-дифференциатора.

6. Выбор триггера.

7. Расчет фильтра нижних частот.

1. Определение параметров узкополосного электрического фильтра (резонансной частоты и полосы пропускания ) и его расчет.

На выходе приемника излучения присутствует сигнал и шум. Для выделения сигнала из шума в электрическую цепь прибора включают узкополосный электрический фильтр. Чем уже полоса пропускания, тем меньше шум. Фильтр - это электрическая цепь, рассчитанная на пропускание сигналов в определенной полосе частот и подавление сигналов вне этой полосы. Электрические фильтры бывают активные и пассивные. Пассивные фильтры содержат катушки индуктивности, конденсаторы и, если нужно, резисторы. Активные фильтры включают в себя резисторы, конденсаторы и операционные усилители.

В данной курсовой работе проведем расчет активного полосового фильтра. Параметры фильтра (резонансная частота и полоса пропускания ) определяются растровым модулятором, частотными свойствами приемника излучения, а также шумовыми характеристиками приемника излучения. Частота модуляции, на которую настраивают электрический фильтр, зависит от скорости вращения растра и числа его прозрачных секторов:

(1),

где - скорость вращения растра, обычно ;

- число прозрачных секторов растра.

Для нашего случая примем , тогда

.

С другой стороны, частота модуляции ограничена инерционностью приемника излучения:

(2),

где - постоянная времени приемника излучения, с.

Для расчета выбираем наименьшее из полученных по формулам (1) и (2) значений:

.

Полосу пропускания активного узкополосного электрического фильтра определим из двух условий.

1. Для неподвижного источника излучения полоса пропускания электрического фильтра определяется погрешностью, создаваемой растровым модулятором.

(3),

где - погрешность, заданная в процентах.

В нашем случае примем , тогда:

.

2. Полосу пропускания узкополосного фильтра определим с учетом шумов приемника:

(4),

где - погрешность определения фазы сигнала; - амплитуда входного сигнала; - амплитуда шумов.

Отсюда вытекает условие для определения полосы пропускания узкополосного фильтра с учетом шумов приемника:

(5).

Определим напряжение шумов приемника излучения, которое складывается из:

(6),

где - интегральная чувствительность фотоприемника;

- пороговая чувствительность фотоприемника;

- сопротивление нагрузки фотоприемника;

(7),

где T=273+20=293 К - абсолютная комнатная температура окружающей среды; - постоянная Больцмана;

(8),

где , - постоянный ток фотоприемника.

(9);

Сопротивление нагрузки фотоприемника находится из следующих уравнений:

(10),

где - постоянный поток.

.

Для вычисления подставим в предыдущее равенство значения, заданные в техническом задании.

Далее,

(11)

(12)

(13)

.

.

Выбираем частоту. Для расчета активных фильтров задаются резонансной частотой и добротностью .

(14)

.

(15);

.

Рассчитаем активный полосовой фильтр, приведенный на рис.3.

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. Активный полосовой фильтр.

Составим уравнения методом узловых потенциалов.

Узел «2»:

, (16)

Узел «3»:

, (17)

Узел «4»:

. (18)

При составлении уравнения (16) для узла «2» входное напряжение вместе с резистором рассматриваем как ЭДС, направленную к узлу. При составлении уравнения (18) для узла «4» операционный усилитель на выходе заменяем эквивалентным генератором напряжения с ЭДС - , где - собственный коэффициент усиления операционного усилителя, и внутренним сопротивлением, равным выходному сопротивлению операционного усилителя . В уравнениях также учтено входное сопротивление операционного усилителя .

Решая составленные уравнения, можно выразить через и получить коэффициент передачи схемы

.

Однако решение оказывается достаточно громоздким.

Если сопротивления , ,, и в диапазоне рабочих частот достаточно малы в сравнении с и велики в сравнении с операционного усилителя, то можно произвести упрощенный расчет, полагая , , .

Тогда можно считать , в этом случае уравнения (16) и (17) принимают вид:

, (19)

(20).

Решая уравнения (19) и (20) , получаем коэффициент передачи схемы:

(21)или

(22).

Резонансную частоту , добротность и коэффициент усиления схемы на резонансной частоте можно выразить через коэффициенты полинома ,, :

, (23)

, (24)

. (25)

Тогда выбрав , , из соотношения

, , (26)

можно рассчитать ,и :

, (27)

, (28)

. (29)

Из выражения (27) получаем ограничение добротности:

, (30)

т.е. добротность можно увеличить за счет уменьшения и и увеличения , но тогда нарушается условие (26) и приходиться учитывать параметры операционного усилителя.

Подбираем , , в соответствии с условием (30):

,

,

.

Находим и из (27) и (28):

,

.

Находим из (29):

.

2. Выяснение необходимости и расчет входного каскада

Входное сопротивление фильтра (рис.3.):

, (31),

где - ток, проходящий через ,

. (32)

Таким образом, входное сопротивление можно определить из уравнений (16), (17), (18) или (19), (20). Решая уравнения (19), (20), получим

. (32)

На резонансной частоте , тогда

.

.

Таким образом, входное сопротивление фильтра не согласуется с выходным сопротивлением приемника излучения, необходимо включать согласующий каскад. Простейшим каскадом является повторитель, выполненный на операционном усилителе (рис.4.).

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Операционный усилитель.

Коэффициент усиления повторителя такой схемы равен единице, а входное сопротивление определяют как обычно для усилителя с отрицательной обратной связью:

, (33)

т.к. .

Т.к. , то .

.

3. Выбор и расчет усилителя-ограничителя

При преобразовании синусоидального сигнала в короткие импульсы на первом этапе синусоидальный сигнал преобразуется в прямоугольные импульсы. Для этого обычно используют усилитель-ограничитель.

Чтобы усилитель работал в режиме ограничения, амплитуда входного напряжения должна быть достаточно большой, т.е.

. (34)

Напряжение на выходе активного фильтра определяют по формуле

; (35)

.

У большинства усилителей напряжение питания не превышает 15 В. Выберем в справочнике усилитель 1401УД6 (усилитель общего назначения). Выберем напряжение питания .

Тогда

; (36)

.

Т.е. , основной усилитель можно не использовать

Выбираем усилитель-ограничитель (рис.5).

Рис.5. Усилитель-ограничитель.

Его параметры:

, ,

.

Коэффициент усиления .

Получаем на выходе напряжение .

4. Выбор и расчет усилителя-дифференциатора

Рис.6. Усилитель-дифференциатор.

Дифференциатор предназначен для преобразования длинных импульсов в короткие. Рассчитаем дифференциатор, представленный на рис.6.

Выходной сигнал определяется зависимостью

. (37)

Амплитуду выходного импульса определяют по формуле

, (38)

при этом она не может превышать напряжение ограничения операционного усилителя.

.

Найдем моменты времени с помощью следующего условия:

,

.

Далее, значения повторяются периодически.

.

Из выражения (38) получаем

.

Выберем .

.

5. Выбор триггера

Триггер в фазометре должен вырабатывать прямоугольные импульс с длительностью, равной разности между импульсами, поступающими из канала принимаемого сигнала и из канала опорного сигнала. Для этого применяют асинхронный - триггер. Из справочника выберем - триггер серии .

6. Расчет фильтра нижних частот

Фильтр нижних частот можно построить по схеме активного фильтра. Граничную частоту выбирают существенно меньше частоты модуляции. А усиление подбирают таким образом, чтобы показания вольтметра на выходе соответствовали фазовому сдвигу в радианах или градусах.

Рассчитаем фильтр нижних частот первого порядка (рис.7).

Рис.7. Фильтр нижних частот первого порядка.

Коэффициент передачи такой схемы:

, (39)

. (40)

Граничную частоту выбирают много меньше частоты модуляции

, (41)

.

.

Выберем и из условия

. (42)

Выберем .

.

(43)

.

, (44)

.Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Структурная и принципиальная схемы усилителя для фоторезистора. Проектирование входного устройства. Расчет масштабирующего усилителя, блока регулировки, усилителя мощности. Разработка фильтра нижних частот, режекторного фильтра, источника питания.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 10.12.2015

  • Проектирование устройства полупроводникового усилителя оптического сигнала ВОЛС, работающего на длине волны нулевой хроматической дисперсии кварцевых волокон – 1,3 мкм. Энергетический расчет, особенности конструирования узла оптического усилителя.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 19.04.2011

  • Определение требуемой ширины полосы частот ФП и длительности тактового интервала. Особенности расчета минимальной мощности оптического излучения на входе фотоприемника. Выбор типа транзистора входного каскада усилителя ФПУ. Выбор необходимого фотодиода.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.01.2013

  • Расчет цифрового фильтра нижних частот с конечной импульсной характеристикой. Синтез фильтра методом окна (параболического типа). Свойства фильтра: устойчивость, обеспечение совершенно линейной фазочастотной характеристики. Нахождение спектра сигнала.

    курсовая работа [28,6 K], добавлен 07.07.2009

  • Определение передаточной функции цепи и спектра периодического входного сигнала. Вычисление спектра реакции при воздействии одиночного импульса. Изучение спектральных характеристик одиночного импульса воздействия. Составление уравнений состояний цепи.

    курсовая работа [405,0 K], добавлен 21.04.2016

  • Описание блок–схемы транзисторного двухкаскадного усилителя мощности низких частот. Вычисление мощности, потребляемой цепью коллектора транзистора от источника питания. Расчёт выходного и предварительного каскадов усилителя, фильтра нижних частот.

    контрольная работа [323,8 K], добавлен 18.06.2015

  • Разложение периодического сигнала на гармоники. Расчет фильтра для полосы частот с согласованием на выходе с сопротивлением нагрузки Rн. Расчет передаточной функции по напряжению Ku(p), графики АЧХ и ФЧХ фильтра. Расчет переходной характеристики фильтра.

    курсовая работа [465,5 K], добавлен 21.01.2009

  • Коэффициент усиления усилителя и диапазон частот входного сигнала. Нелинейные искажения для транзисторных каскадов. Выбор оконечных транзисторов, расчет Sт. Расчет элементов предусилителя. Проектирование блока питания. Выбор выпрямителя и схемы фильтра.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 17.11.2013

  • Разработка структурной и принципиальной схемы. Анализ и расчет фильтра низких частот, режекторного фильтра и предварительного усилителя (неинвертирующего). Расчет усилителя мощности и блока питания (трансформатора и стабилизатора). Интерфейсная часть.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 22.12.2012

  • Выделение полезной информации из смеси информационного сигнала с помехой. Математическое описание фильтров. Характеристика фильтра Баттерворта и фильтра Чебышева. Формирование шаблона и определение порядка фильтра. Расчет элементов фильтра высоких частот.

    курсовая работа [470,3 K], добавлен 21.06.2014

  • Разработка эквивалентной, принципиальной схемы электрического фильтра. Анализ спектрального состава входного сигнала и прохождения сигнала через электрический фильтр и усилитель. Синтез эквивалентных схем и проектирование схем радиотехнических устройств.

    курсовая работа [488,3 K], добавлен 08.02.2011

  • Характеристики и параметры разрабатываемого усилителя низких частот. Обзор и анализ устройств аналогичного назначения. Разработка функциональной схемы. Расчет входного, промежуточного, выходного каскада, погрешностей. Схемотехническое моделирование.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 10.06.2013

  • Определение операторной передаточной функции ARC-цепи, переходной характеристики линейной электрической цепи. Период свободных колебаний, частота и декремент затухания. Спектральная плотность амплитуды входного сигнала. Расчет LC-фильтра верхних частот.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 19.12.2013

  • Структура измерительного канала, характеристики и параметры его элементов. Методика изучения влияния основных параметров на результаты измерения. Корреляционная функция входного сигнала. Моделирование датчика, усилителя, аналогового фильтра низких частот.

    дипломная работа [4,2 M], добавлен 16.12.2012

  • Физические основы и принцип действия широкополосных фильтров. Пример расчета фильтра нижних частот (ФНЧ) на заданные параметры. Полная принципиальная схема ФНЧ. Расчет промежуточного и оконечного полузвена. Построение полной характеристики затухания ФНЧ.

    курсовая работа [878,6 K], добавлен 21.01.2011

  • Разработка общего алгоритма функционирования цифрового фильтра нижних частот. Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора, составление и описание электрической принципиальной схемы устройства. Быстродействие и устойчивость фильтра.

    курсовая работа [860,6 K], добавлен 28.11.2010

  • Построение графиков амплитудного и фазового спектров периодического сигнала. Расчет рекурсивного цифрового фильтра, цифрового спектра сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье. Оценка спектральной плотности мощности входного и выходного сигнала.

    контрольная работа [434,7 K], добавлен 10.05.2013

  • Способы решения задач синтеза. Этапы расчета элементов фильтра нижних частот. Определение схемы заданного типа фильтра с минимальным числом индуктивных элементов. Особенности расчета фильтр нижних частот Чебышева 5-го порядка с частотой среза 118 кГц.

    контрольная работа [525,0 K], добавлен 29.06.2014

  • Создание компаратора и входного усилителя фильтра. Амплидно-частотная характеристика полосового фильтра. Разработка схемы преобразователя уровня и буфера. Осциллограммы моделирования работы такта преобразования гармонического сигнала в логический.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 26.01.2016

  • Общая характеристика и принцип действия фильтров нижних частот. Схема простейшего низкочастотного фильтра. Схематическое изображение пассивного RC-фильтра нижних частот и его амплитудно-частотная характеристика. Области применения данных фильтров.

    презентация [3,2 M], добавлен 16.12.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.