Elektronika 210. Előadás

Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

Irodalom- Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, 1990- U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, 1999- Rorabaugh Ch: Modulation and Demodulation, Springfield, 2000

Analóg moduláció

Hordozó:

Amplitúdó-moduláció(AM):

Frekvencia-moduláció (FM):

Fázis-moduláció (PM)

Amplitúdó-modulált jel

Analóg moduláció

Frekvencia-modulált jel

Fázis-modulált jel

Digitális moduláció

Amplitúdó-kódolás (ASK – amplitude shift keying)

Frekvencia-kódolás (FSK – frequency shift keying)

Fázis-kódolás (PSK – phase shift keying)

Analóg amplitúdó-modulátoros adókészülék

Kollektor-modulált C osztályú, ellenütemű erősítő.

Két oldalsávos (DSB: double sideband) modulátor

Sávszűrő áteresztő tartománya

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

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

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.

Optikai transzmisszió-mérés

Mérési elrendezés

Tipikus frekvencia-spektrum kevéssé fényáteresztő minta esetén

Optikai transzmisszió-mérés szaggatóval

A hasznos jel alacsonyabb hátterű sávba került, a mérés lényegesen jobb jel-zaj viszonyt biztosít.

A hangolt erősítő hátrányai:- a jósági tényező: Q = fk/Df nem elég nagy;- a mérés könnyen elhangolódik;- az egyenirányító a zajt hozzáadja a hasznos jelhez.

Mérési elrendezés

Optikai transzmisszió-mérés szaggatóval és fázisérzékeny detektorral

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.

Szinkron egyenirányítás

Lock-in erősítés elve

Demoduláció / keverés

szinteltolás és erősítés

Két szinuszjel

Szorzat

Összeg

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.

Demoduláció / keverés

A lüktetés frekvenciája nullához közelít, ha a két frekvencia egyenlővé válik

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

Jel frekvencia /

referencia frekv.

Referencia

Mix

er k

imen

et

Fázis-érzékeny detektálás

Fázis-különbségf

0

0.2 p

0.4 p

0.6 p

0.8 p

p

Referencia jelS

zorz

at -

jela

lak

• A frekvenciák azonosak• Referencia = sin(2pft) • Jel= sin(2pft + f)

– f fáziskülönbség• Szorzat= cos(f) - cos(2pft)

Fázis-érzékeny detektálás

Fázis-hangolás

• Referencia jel fázisának szabályozása• Tartomány: 0 … 360°• Hangolási feltétel: maximális DC kimenet

Referencia jelforrás

• Belső referencia- stabil referencia frekvencia

• Külső referencia• A rendszertől jön a referencia jel

– például szaggató (chopper)• A belső referencia a rendszer-

referenciára kapcsolódik (lock-in)– PLL: phase locked loop

(fáziszárt hurok)

Analóg keverő (mixer)

• Direkt szorzás– pontos– nem elég nagy dinamika– gyenge jel

• Kapcsoló mixer– nagy dinamikus tartomány– de: a felharmonikusokat is demodulálja

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