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

...