DE2832920C3 - Phasenselektiver Verstärker - Google Patents

Description

mittels Verstärkungsschaltern in ^ 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. Phasenselektiver 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 1. Dekoder (7), einem

1. Phasenschalter (12), einem 2. Teiler-durch-2 (13) und einem mit dem Phasendetektor (15) verbundenen 2. Phasenschalter (14), verbunden sind.

3. Phasenselektiver Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsschalter der 2. Mischstufe (10) über einen 1. Teiler-durch-2 (9) mit dem 1. Dekoder (7) und dem

2. Teiler-durch-2 (13) verbunden ist.

4. Phasenselektiver Verstärker nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert π=8 beträgt.

5. Phasenselektiver Verstärker nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Phasenregelkreis zwischen den 1. Phasenschalter (12) und den 2. Teiler-durch-2 (13) ein Teiler-durch-m (16) mit einem 2. Dekoder (17) und ein 3. Phasenschalter (18) 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 Mischprodukte 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 amplitudenmodulierter Träger. Die damit verbundenen Seitenbänder müssen trotz hoher Selektivität von dem phasenselektiven 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 der Phasenlage überein, so werden durch die im Takte der Referenzspannung erfolgende Umschaltung 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 Mischstufe, verbunden mit einer Einschränkung der nutzbaren Bandbreite, erreichbar (ELECTRONIC DESIGN 21, 11.Oct. 1974, 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 wird. 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. Ausgangsseitig des Synchrondetektors können Gleichspannungs-Signale nur dann auftreten, wenn zwischen den an seinen Eingängen anliegenden Spannungen im wesentlichen ein phasensynchroner Zustand besteht. Diese Bedingung ist nur für 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

ω 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

^bl> 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 Signalempfanger 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 Mebsignal 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 Mu'tiplikationsfak- tor 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 \Jer Referenzspannung gegenüber dem Schaltsignal für die 1. Mischstufe 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 1. Mischstufe ergibt einen Verlauf der Verstärkung, der angenähert sinusförmig ist und dadurch nur einen geringen, praktisch bedeutungslosen Oberwellengehalt hat. Die durch Frequenzen im Bereich der Oberwellen auftretenden Fehler stören bereits bei einer Schaltung der Verstärkung in nur 8 Stufen während 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 d«;r Schaltspannung

mi 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 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 m-fachen Oberwelle in sehr einfacher Weise ermöglicht. Mit dem

2» in allen Stufen geringen baulichen Aufwand ist ein preiswerter Verstärker hoher Leistungsfähigkeit geschaffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Aufbau eines phasenselektiven Verstärkers,

F i g. 2 den schematischen Aufbau eines phasenselektiven Verstärkers mit Meßmöglichkeit für die m-fache Oberwelle.

In dem phasenselektiven Verstärker nach F i g. 1 wird das Signal der Frequenz f\ am Signaleingang 1 zugeführt, im Vorverstärker 2 durch Dämpfung hoher Frequenzen schwach gefiltert und verstärkt und auf die

1. Mischstufe 3 gegeben. Eine Referenzspannung gleicher Frequenz /| wie das Signal wird am Referenzeingang 4 zugeführt. Auf Grund der vorgesehenen Schaltung erzeugt der angeschlossene Oszillator 5 daraufhin eine rechteckige Schaltspannung, deren Frequenz /j das 2n-fache der Referenzfrequenz f\ beträgt, f₂ = 2n ■ f\. Zweckmäßig wird der Wert η = 8 gewählt, d.h. Z₂=I 6/,.

Mittels Teiler-durch-n 6 mit 1. Dekoder 7 und Enkoder 8 wird die Schaltspannung als Taktgeber für das Schaltsignal benutzt, um die Verstärkung der 1.

Mischstufe 3, die in j Schaltstufen fest vorgegeben ist, zwischen diesen Schaltstufen umzuschalten. Dabei wird eine Halbwelle des Signals in η Stufen zu- und

so 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 Verstärkungsschalter, der von dem Schaltsignal angesteuert wird, je 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 k-le Stufe ist demgegenüber, bestimmt

bo durch den jeweiligen Widerstand, mit dem Betrag der Sinusfunktion multipliziert, der zu ihrer Mittenzeit gehört, also mit

mit

<ik = ■'— (k — -) und k = 1.. . .2u. η \ ZJ

Für die Ansteuerung der Verstärkungsschalter wird im Teiler-durch-n 6 die Frequenz /j der Schaltspannung in n, beispielsweise in 8, eingeteilt bzw. laufend von 1 bis η gezählt. Das binär auf 3 Ausgängen erscheinende Zwischenergebnis wird im 1. Dekoder 7 in der Form »1 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 {„,t + <_/k)]

(wobei die höchste Verstärkung mit b bezeichnet ist). Hierzu wird das Zwischenergebnis des Teilers-durch-n 6 mit 1. 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 /2 = 2 η ■ f\ erfolgt über den Teiler-durch-n 6 mit 1. Dekoder 7, den 1. 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 /₂ hält. Bei Abweichungen ändert sich die Steuerspannung so, daß der Oszillator 5 auf die gewünschte Frequenz /? 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 h = 2n ■ /, abgibt. Ebenso besteht phasenmäßige Übereinstimmung an den Eingängen des Phasendetektors 15, wenn f₂ gegen f\ phasenmäßig so verschoben ist. daß diese Verschiebung in der Rückführung durch die Phasenschalter 12 und 14 gerade kompensiert wird.

j Die Einstellung der Phasenverschiebung erfolgt dadurch, daß der 1. Phasenschalter 12 die Verbindung mit einem der Ausgänge des 1. Dekoders 7 herstellt, die

gegeneinander in bezug auf /Ί jeweils um -^ zeitin versetzt sind. Ein Schaltschritt des 1. Phasenschalters 12 beträgt also Δφ = ^ · Da jeder Ausgang des 1. Dekoders

7 einmal in jeder Halbwelle von i\ Spannung führt, ist ein 2. Phasenschalter 14 nachgeordnet, der die Zuordnung -, zur 1. oder 2. Halbwelle festlegt, mögliche Schaltschritte also 0 und π. Dazwischen ist der 2. Tei!er-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,

2(1 z. B. bei der Einschaltung, eine Synchronisation auf dieselbe Halbwelle von /j bewirkt, während innerhalb dieser Halbwelle die beiden Teiler um den am 1. Phasenschalter 12 eingestellten Betrag phasenverschoben arbeiten.

2^r> Der phasenselektive Verstärker nach F i g. 1 kann selbstverständlich auch in der Form betrieben werden, daß auf die Zuführung einer äußeren Referenzfrequenz am Referenzeingang 4 verzichtet wird. Stattdessen wird hinter dem 2. Phasenschalter 14 die dort vorhandene f\

j» herausgeführt und als Taktgeber dem das Signal erzeugenden Gerät zugeführt, so daß dadurch die Frequenzen f\ am Signaleingang 1 und im Phasenregelkreis übereinstimmen.
Der phasenselektive Verstärker nach Fig.2 ist 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 l-aus-/n 17 und ein 3. Phasenschalter 18 mit dem Schaltschritt

Δψ= — eingefügt Die Frequenz /2 der von dem

Oszillator 5 abgegebenen Schaltspannung erhöht sich dadurch auf

h = 2n ■ m ■ /i,

so daß in den Mischstufen ein Ausgangssignal für die /η-fache Oberwelle gebildet wird

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

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