DE2832920B2 - Phasenselektiver Verstärker - Google Patents
Phasenselektiver VerstärkerInfo
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Description
mittels Verstärkungsschaltern in -x Schaltstufen von
annähernd sinusförmiger Abstufung schaltbar ist, und einer nachgeschalteten 2. Mischstufe (10), deren
Verstärkung mittels eines Verstärkungsschalters auf je einen positiven und negativen Betrag gleicher
Größe schaltbar ist, besteht und die Verstärkungsschalter der Mischstufen (3, 10) über logische
Elemente (8,9) mit dem Phasenregelkreis (5,6,7,12,
13, 14, 15) eines spannungsgesteuerten Oszillators (5) verbunden sind.
2. Phasaiselektiver Verstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschalter der 1. Mischstufe (3) über einen Enkoder (8) mit
einem 1. Dekoder (7) in dem Phasenregelkreis des über einen Referenzeingang (4) an einem Phasendetektor (15) angesteuerten spannungsgesteuerten
Oszillators (5), bestehend aus dem Phasendetektor (15), dem spannungsgesteuerten Oszillator (5), einem
Teiler-durch-n (6) mit dem !. Dekoder (7), einem
1. Phasenschalter (12), einem 2. Teiler-durch-2 (13)
und einem m>t dem Phasendetekior (15) verbundenen 2. Phasenschalter (14), verbunden sind.
3. Phasenselektiver Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne:, daß der Verstärkungsschalter der 2. Mischstufe (10) jber einen 1. Teiler-durch-2 (9) mit dem I.Dekoder (7) und dem
2. Teiler-durch-2 (13) verbunden ist.
4. Phasenselektiver Verstärker nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert n=8
beträgt.
5. Phasenselektiver Verstärker nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Phasenregelkreis zwischen den 1. Phasenschalter (12) unc
den 2. Teiler-durch-2 (13) ein Teiler-durch-m(16) mit einem 2. Dekoder (17) und ein 3. Phasenschalter (*8)
eingefügt sind.
Die Erfindung betrifft einen phasenselektiven Verstärker entsprechend dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Die phasenselektiven Verstärker sind hervorragend zur Messung schwacher Signale unter hohem Rauschpegel geeignet. Durch Mischung mit einer Referenzspannung von gleicher Frequenz wie das zu messende
Signal ergeben sich nur für das zu messende Signal IVtischprodukte nahe der Frequenz Null, die sich leicht
filtern und weiterverarbeiten lassen, während die Störfrequenzen herausfallen. Häufig ist das zu messende
Signal ein mit niedriger Frequenz amplitudeRmodulierter Träger. Die damit verbundenen Seitenbänder
müssen trotz hoher Selektivität von dem phesenselektiven Verstärker verarbeitet werden.
Bekannt ist die Verwendung eines als Lock-In-Verstärker bezeichneten phasenselektiven Verstärkers zur
Messung schwacher Signale unter hohem Rauschpegel. Dabei wird das Signal nach Vorverstärkung und
Filterung einem Eingang eines Synchrondetektors als Mischstufe zugeführt Dem zweiten Eingang der
Mischstufe wird eine rechteckförmige Referenzspannung von einer Frequenz zugeführt, die der bekannten
Frequenz des zu messenden Signals entspricht Zum Abgleich der Phasenlage befindet sich im Referenzkanal
ein einstellbarer Phasenschieber. Stimmen beide Eingänge in d^r Phasenlage überein, so werden durch die
im Takte der Referenzspannung erfolgende U.3ischaltung der Mischstufe die jeweils übernächsten Halbwellen des Signals invertiert und treten zusammen mit
den anderen nichtinvertierten jeweils übernächsten Halbwellen als Gleichspannung am Ausgang der
Mischstufe auf. Die weitere Verarbeitung erfolgt über Tiefpaß-Filter und Gleichspannungsverstärker. Für
Störfrequenzen ergibt sich im allgemeinen keine Übereinstimmung der Phase und somit auch kein
Gleichspannungssignal am Ausgang der Mischstufe. Ausgenommen hiervon sind Störspannungen vielfacher
Frequenz, insbesondere die ungeraden Harmonischen. Durch den rechteckförmigen Verlauf der Referenzspannung, der eine Summierung der Grundwelle mit ihren
Oberwellen bedeutet, treten nämlich auch für Störspannungen im Bereich dieser Oberwellen am Ausgang der
Mischstufe Gleichspannungen auf. Eine Abschwächung dieser Störungen ist nur durch aufwendige Filterung des
Signals vor der t&schstufe, verbunden mit einer
Einschränkung der nutzbaren Bandbreite, erreichbar (ELECTRONIC DESIGN 21, ll.Octl974, Seite
104-109).
Bekannt ist ein Signalempfänger für mit Hilfe einer elektrischen Schwingung bestimmter Frequenz übertragene Signale. Bei ihm wird die Signalwechselspannung nach geeigneter Verstärkung und Umformung
dem einen Eingang eines Synchrondetektors zugeführt. Weiterhin synchronisiert die Signalwechselspannung
einen phasengeregelten Oszillator, indem die abgegebene Wechselspannung des Oszillators in einem Phasendiskriminator mit der Signalwechselspannung verglichen und daraus eine Stellspannung für den Oszillator
gewonnen vird. Die Stellspannung bewirkt daß die von dem Oszillator abgegebene Wechselspannung phasenstarr auf die Signalwechselspannung einrastet wenn die
ursprüngliche Frequenz des Oszillators einen bestimmten Abstand, den sogenannten Fangbereich, von der
Signalfrequenz nicht überschreitet Die synchronisierte Wechselspannung des Oszillators wird dem zweiten
Eingang des Synchrondetektors zugeführt Ausgangssei tig des Synchr-jndetektors können Gleichspannungs-Signale nur dann auftreten, wenn zwischen den
an seinen Eingängen anliegenden Spannungen im wesentlichen ein phasensynchroner Zustand besteht.
Diese Bedingung ist nur fUr solche Signalfrequenzen gegeben, die im Fangbereich des Oszillators liegen und
ihn synchronisieren können. Die Filterwirkung der Anordnung ist also durch die Festlegung des Fangbereichs des Oszillators bestimmt An den Synchrondetektor ist ein von den Ausgangssignalen des Synchrondetektors steuerbarer Schalter angeschlossen, mit dem
ein Gleichstromausgang des Signalempfängers hoch- oder niederohmig geschaltet werden kann. Dadurch
erfolgt die Information, ob ein Signal im Fangbereich des Oszillators empfangen wird oder nicht Die
Anwendbarkeit des bekannten Signalempfängers ist auf Signalpegel beschränkt, die für die Synchronisierung des
Oszillators ausreichen. Ein Aufspüren sehr schwacher Signale innerhalb eines hohen Störpegels durch
Zuführen einer vorgegebenen Referenzspannung ist
nicht möglich. Der Signalempfänger ist durch den
Fangbereich des Oszillators auf eine vorgegebene Frequenz festgelegt, eine variable Abstimmung auf
verschiedene Frequenzen ist nicht vorgesehen (DE-AS 25 27 578).
Eine bekannte Schaltung zur Beseitigung des Einflusses von Oberwellen im Referenzsignal auf die
Ausgangsspannung eines, aus einem Wechselspannungsverstärker und einem nachgeschalteten, durch ein
Referenzsignal mit gegenüber dem Meßsignal vorbekannter Phasenlage gesteuerten, phasenselektiven
Gleichrichter bestehenden, phasenselektiven Verstärkers gewinnt aus dem Referenzsignal über einen
zusätzlichen phasenselektiven Gleichrichter eine Gleichspannung. Dabei erfolgt die Ansteuerung der
beiden phasenselektiven Gleichrichter entweder gleichphasig oder genau gegenphasig oder mit derselben
Phasendifferenz, die Meßsignal und Referenzsignal gegeneinander aufweisen. Mit der Gleichspannung des
zusätzlichen Gleichrichters wird der Multiplikationsfaktor einer Multipliziereinrichtung gesteuert, die in den
Gegenkoppelkreis des Wechselspannungsverstärkers geschaltet ist und die Verstärkung des Wechselspannungsverstärkers
festlegt Dadurch wird unter dem Einfluß von Oberwellen im Referenzsignal der Gegenkopplungsfaktor
des Wechselspannungsverstärkers, gegeben durch den Multiplikationsfaktor, im selben Maße
geändert wie der Übertragungsfaktor des Gleichrichters für die Meßspannung. Bei ausreichender
Geradeausverstärkung des Wechselspannungsverstärkers kompensieren sich somit diese beiden Fehler. Dem
phasenselektiven Gleichrichter für die Meßspannung ist noch ein Gleichspannungsverstärker nachgeschaltet
Diese bekannte Schaltung läßt die Vorgänge im phasenselektiven Gleichrichter für die Meßspannung
unbeeinflußt in herkömmlicher Weise ablaufen. Eine Verminderung des Einflusses von im Meßsignal
enthaltenen Oberwellen oder entsprechenden Störfrequenzen ist dadurch nicht möglich (DE-AS
18 06 314).
Die Aufgabe der Erfindung ist ein phasenselektiver Verstärker, der bei geringem baulichen Aufwand und
befriedigender übertragener Bandbreite eine hohe Selektivität gegen allgemeine Störfrequenzen sowie
gegen Oberwellen im zu messenden Signal oder Störungen gleicher Frequenzen besitzt. Der phasenselektive
Verstärker soll darüber hinaus eine einfache Möglichkeit zu einer genügend genauen Einstellung der
Phasenlage der Referenzspannung gegenüber dem Schaltsignal für die I.Vüschstufe sowie eine Möglichkeit
zur Messung der im zu messenden Signal enthaltenen Oberwellen bieten.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Kennzeichen der Ansprüche.
Die erfindungsgemäß in Schaltstufen von annähernd sinusförmiger Abstufung geschaltete Verstärkung der
I. Mischstufe ergibt einen Verlauf der Verstärkung, der angenähert sinusförmig ist und dadurch nur einen
geringen, praktisch bedeutungslosen Obcrwellengehalt hat. Die durch Frequenzen im Bereich der Oberwellen
auftretenden Fehler stören bereiis bei einer Schaltung der Verstärkung in nur 8 Stufen wahrend einer
Halbwelle das Ergebnis der Messung nicht mehr. Somit kann auf eine aufwendige Filterung des zu messenden
Signals vor der 1. Mischstufe verzichtet werden, eine Einschränkung der übertragenen Bandbreite, wie sie
durch eine enge Filterung verursacht würde, tritt nicht ein. Im Gegensatz zu einem theoretisch rein sinusförmigen
Verlauf der Verstärkung ist der in annähernd sinusförmiger Abstufung geschaltete Verlauf mit einfachen
Mitteln, reproduzierbar und zuverlässig zu verwirklichen. Durch die Anordnung von Phasenschaltern
in dem Phasenregelkreis des spannungsgesteuerten Oszillators ist eine sehr einfache Möglichkeit gegeben,
die Phasenlage der Referenzspannung in genügend genauer Stufung gegenüber dem Schaltsignal für die
1. Mischstufe einzustellen, das aus der Schaltspannung
lu am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators
gewonnen wird.
Bereits bei der Wahl von π=8 ist diese stufenweise
Einstellung einer stufenlosen Einstellung der Phasenlage so gut angenähert, daß die mögliche Abweichung
ii bei 2% bleibt. Durch die Einfügung eines Teilersdurch-/n
mit einem 2. Dekoder und eines 3. Phasenschalters in den Phasenregelkreis wird eine Messung
der im zu messenden Signal enthaltenen /n-fachen
Oberwelle in sehr einfacher Weise ermöglicht. Mit dem in allen Stufen geringen baulichen Aufwand ist ein
preiswerter Verstärker hoher Leisumgsfähigkeit geschaffen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden
2"> beschrieben. Es zeigt
Fig. ! den schematischen Aufbau eines phasenselektiven
Verstärkers,
F i g. 2 den schematischen Aufbau eines phasenselektiven Verstärkers mit Meßmöglichkeit für die /n-fache
jo Oberwelle.
In dem phasenselektiven Verstärker nach F i g. 1 wird
das Signal der Frequenz /Ί am Signaleingang 1 zugeführt, im Vorverstärker 2 durch Dämpfung hoher
Frequenzen schwach gefiltert und verstärkt und auf die
ΙΊ 1. Mischstufe 3 gegeben. Eine Referenzspannung
gleicher Frequenz /i wie das Signal wird am Referenzeingang
4 zugeführt. Auf Grund der vorgesehenen Schaltung erzeugt der angeschlossene Oszillator 5
daraufhin eine rechteckige Schaltspannung, deren Frequenz h das 2/7-fache der Referenzfrequenz U
beträgt, h = ln ■ f\ . Zweckmäßig wird der Wert /7=8
gewählt,d. h. Z2= 16 f\.
Mittels Teiler-durch-n 6 mit 1. Dekoder 7 und
Enkoder 8 wird die Schaltspannung als Taktgeber für
•n das Schaltsignal benutzt, um die Verstärkung der 1.
Mischstufe 3, die in ^ Schaltstufen fest vorgegeben ist,
zwischen diesen Schaitstufen umzuschalten. Dabei wird eine Halbwelle des Signals in η Stufen zu- und
■)O abnehmend so verstärkt, daß die Verstärkung dem
Betrag einer Sinusfunktion angenähert ist, wobei von den η Stufen jeweils 2 symmetrisch und paarweise gleich
sind. Für jede Stufe wird über je einen VerstärkungsscSalt.-r,
der von dem Schaltsignal angesteuert wird, je
V) ein die Verstärkung bestimmender genauer Festwiderstand
(auch die Werte 0 und «> sind möglich) an den zweiten Eingang der 1. Mischstufe 3 gelegt
Die höchste Verstärkung der 1. Mischstufe 3 ist mit a bezeichnet. Jede λ-te Stufe ist demgegenüber, bestimmt
bo durch den jeweiligen Widerstand, mit dem Betrag der
Sinusfunktion multipli7tert, der zu ihrer Mittenzeit
gehört, also mit
α |sin(f.if + ,lk) j.
mit
" V V
und k = 1,. . .2/1.
Für die Ansteuerung der Verstärkungsschalter wird im Teiler-durch-πβ die Frequenz /i der Schaltspannung in
/t. beispielsweise in 8. eingeteilt bzw. laufend von I bis η
gezählt. Das binär auf 3 Ausgängen erscheinende Zwischenergebnis wird im 1. Dekoder 7 in der Form »I
aus η « zu einer natürlichen Zahl umgesetzt, dargestellt
als Schaltsignal auf n. z. B. 8. Ausgängen. Im nachfolgenden Enkoder 8 wird die Zahl der Kanäle im
Verhältnis η zu ^ vermindert, d. h. die Kanäle auf die
vorhandenen Verstärkungsschalter verteilt, wobei die richtige Zuordnung der Kanäle zu den Verstärkungsschaltern durch logische Verknüpfungen erreicht wird.
In der nachgeschalteten 2. Mischstufe 10 erfolgt eine
Verstärkung mit dem Vorzeichen der synchronen Referenzfrequenz, also mit
h ■ sign [sin (<>·/ + «.)]
(wobei die höchste Verstärkung mit b bezeichnet ist). Hierzu wird das Zwischenergebnis des Teilers-durch-n6
mit I. Dekoder 7 in einem 1. Teiler-durch-2 9 weiter auf die Frequenz des Signals bzw. der Referenzfrequenz
herabgesetzt und damit über den Verstärkungsschalter die Verstärkung der 2. Mischstufe 10 jeweils auf den
vollen Betrag positiv oder negativ geschaltet. Das so gewonnene Ausgangssignal wird in üblicher Weise in
einem Tiefpaß 11 gefiltert und zur Anzeige gebracht.
Der Oszillator 5 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator und wird innerhalb eines Phasenregelkreises
betrieben. Die Rückführung der am Ausgang des Oszillators 5 vorhandenen Schaltspannung mit der
Frequenz Λ = 2 π ■ (\ erfolgt über den Teiler-durch-n 6
mit I. Dekoder 7. den I. Phasenschalter 12. den 2. Teiler-durch-2 13. den 2. Phasenschalter 14 und den
Phasendetektor 15. Stimmen die Ansteuerungen, die den Phasendetektor 15 aus dem 2. Phasenschalter 14
und dem Referenzeingang 4 erreichen, überein, so liefert
der Phasendetektor 15 eine mittlere Steuerspannung, die den Oszillator 5 auf der gewünschten Frequenz /j
hält. Bei Abweichungen ändert sich die Steuerspannung so, daß der Oszillator 5 auf die gewünschte Frequenz /j
zurückgeführt wird. Wegen der in der Rückführung mit den Teilern 6 und 13 vorgenommenen Untersetzung um
2 η ist die frequenzmäßige Übereinstimmung der Eingänge des Phasendetektors 15 gegeben, wenn der
Oszillator 5 (i = 2n ■ U abgibt. Ebenso besteht phasenmäßige
Übereinstimmung an den Eingängen des Phasendetektors 15. wenn 6 gegen /Ί phasenmäßig so
verschoben ist. daß diese Verschiebung in der Rückführung durch die Phasenschalter 12 und 14 gerade
kompensiert wird.
Die Einstellung der Phasenverschiebung erfolgt dadurch, daß der I. Phasenschalter 12 die Verbindung
mit einem der Ausgänge des !. Dekoders 7 herstellt, die
gegeneinander in bezug auf f\ jeweils um ,( zeit-
H) versetzt sind. Ein Schaltschritt des I. Phasenschalters 12
beträgt also Aq = „ ■ Da jeder Ausgarg des I. Dekoders
7 einmal in jeder Halbwelle von /i Spannung führt, ist ein
2. Phasenschalter 14 nachgeordnet, der die Zuordnung
ii zur I. oder 2. Halbwelle festlegt, mögliche .Schaltschritte
also 0 und rc. Dazwischen ist der 2. Teilcr-durch-2 13
eingefügt, der die endgültige Herabsetzung auf f<
bewirkt. Zwischen dem 1. Teiler-durch-2 9 und dem 2. Teiler-durch-2 13 ist eine Verbindung vorgesehen, die.
Ji) z. B. bei der Einschaltung, eine Synchronisation auf
dieselbe Halbwelle von /i bewirkt, während innerhalb
dieser Halbwelle die beiden Teiler um den am I. Phasenschalter 12 eingestellten Betrag phasenverschoben
arbeiten.
j". Der phasenselektive Verstärker nach F i g. 1 kann
selbstverständlich auch in der Form betrieben werden, daß auf Hie Zuführung einer äußeren Referenzfrequenz
am Referenzeingang 4 verzichtet wird. Stattdessen wird hinter dem 2. Phasenschalter 14 die dort vorhandene f\
κι herausgeführt und als Taktgeber dem das Signal
erzeugenden Gerät zugeführt, so daß dadurch die Frequenzen /i am Signaleingang 1 und im Phasenregel·
kreis übereinstimmen.
Der phasenselektive Verstärker nach Fig. 2 ist
ü geeignet, die im Signal enthaltene m-fache Oberwelle zu
messen. Hierzu sind gegenüber F i g. 1 lediglich in den Phasenregelkreis nach dem 1. Phasenschalter 12 ein
zusätzlicher Teiler-durch-m 16 mit 2. Dekoder 1-aus-m
17 und ein 3. Phasenschalter 18 mit dem Schaltschritt
Aq = ~ eingefügt. Die Frequenz h der von dem
Oszillator 5 abgegebenen Schaltspannung erhöht sich dadurch auf
-.-> f2 = 2/7 · m ■ f\ ,
so daß in den Mischstufen ein Ausgangssignal für die m-fache Oberwelle gebildet wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Phasenselektiver Verstärker mit einem Wechselspannungsverstärker und einem nachgeschalteten, durch ein Referenzsignal gesteuerten
phasenselektiven Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß der phasenselektive Gleichrichter aus einer 1. Mischstufe (3), deren Verstärkung
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