Внедрение: 2018 г.

Настоящая статья описывает технические решения программируемых фазовращателей с применением модуля E‑502 по материалам научных публикаций [1], [2]. Фазовращатели используются в радиотрактах, антенных системах, синхронных детекторах. В первой публикации предлагается новая схема программируемого фазовращателя, которая позволяет использовать его в широком частотном диапазоне независимо от частоты входного сигнала, а также осуществлять сдвиг фазы с высокой точностью.

Структурная схема цифрового фазовращателя представлена на рисунке 1. Она состоит из шести основных частей: компаратор, выделитель заднего и переднего фронта сигнала, таймер, делитель частоты на 2, модуль ввода/вывода, тактовый генератор. 

Рисунок 1. Структурная схема фазовращателя.

Через компаратор входной сигнал подаётся на выделитель фронта. В качестве входного сигнала может использоваться как сигнал синусоидальной формы, так и прямоугольной формы. «Выделитель фронта» содержит сдвоенный D‑триггер, логический элемент "Исключающее ИЛИ" и инвертор. «Выделитель фронта» формирует по одному короткому прямоугольному импульсу (длительностью в один тактовый сигнал) на каждый фронт прямоугольного сигнала, поступающего на него. Длительность тактового сигнала определяется частотой F используемого тактового генератора. После этого данные прямоугольные импульсы поступают на программируемый таймер (микросхема UPD71054). Таймер задерживает поступающие импульсы на заданное количество тактов N, которое управляется программно. Затем сигнал поступает на последний блок электронной схемы – "Делитель на 2". Здесь импульсы преобразуются в прямоугольный сигнал, который повторяет форму входного сигнала, но сдвинут на время задержки t относительно него. Время задержки t численно равно отношению N/F. Управление таймером осуществляется с помощью цифровых выходов универсального модуля АЦП и ввода/вывода E‑502. Частота входного сигнала фазовращателя измеряется АЦП E‑502 для вычисления требуемого времени задержки t, соответствующего величине задаваемого фазового сдвига.

Рисунок 2. Временная диаграмма работы фазовращателя.

В развернутом виде электронная структурная схема фазовращателя с программируемым таймером представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Электронная схема фазовращателя.

Программа управления таймером была реализована в среде LabView. Количество тактов задержки N таймера устанавливается программно с помощью 16‑битного числа. Схема моделирования представлена на рисунке 4.
 

Рисунок 4. Схема модели программируемого таймера в среде LabView.

На рисунке 5 представлена оцифрованная осциллограмма со сдвигом фазы φ, равным π/5 тактов (N=1000). Точность установки фазы Δφ≅6*10^-4 рад. Схема обеспечивает задержку от 0 до 2π.

Рисунок 5. Осциллограмма программируемого фазовращателя.

Представленный программируемый фазовращатель может найти широкое применение в синхронных детекторах и другой измерительной технике, где требуется фазовая подстройка сигнала. Основными достоинствами разработанного цифрового фазовращателя являются возможность его применения в широком частотном диапазоне входного сигнала и осуществление сдвига фазы с высокой точностью.

Модуль E‑502 был также применён для управления аналоговыми узлами при реализации синхронного детектора на основе секвентных фильтров, что описано во второй публикации [2]. Здесь сигналы цифрового выхода модуля E‑502 были использованы для управления коммутацией аналогового тракта синхронного детектора. Устройство управляется программно: можно выбрать коэффициент усиления, задать сдвиг фазы опорного сигнала, выбрать время интегрирования. Программа для управления прибором была реализована в среде LabView.

Для оценки характеристик разработанного синхронного детектора было проведено измерение спектра излучения He‑Ne лазера и монохроматора (M833, SOLAR Laser Systems). Излучение лазера модулировалось с помощью прерывателя, модулированное ослабленное излучение на выходе монохроматора детектировалось фотодиодом, сигнал с которого поступал на синхронный детектор. Полученные графики интенсивности He‑Ne лазера с использованием двух представленных детекторов представлены на рисунке 6. Экспериментальные значения были аппроксимированы с помощью функции Гаусса, коэффициент детерминации R²=0,99. Для сравнения характеристик измерения спектра были проведены с помощью коммерческого фазочувствительного усилителя (DSP Lock‑in SR830). В этом случае коэффициент детерминации показал такое же значение.
 

Рисунок 6. Спектр излучения He‑Ne лазера, полученный с помощью разработанного синхронного детектора (чёрные кружки); аппроксимация с помощью функции Гаусса (красная линия), коэффициент детерминации R²=0,99.
 

Автор статьи отмечает, что разработанный синхронный детектор может найти широкое применения в различных спектроскопических исследованиях, поскольку он имеет большой динамический диапазон усиливаемого сигнала и низкую себестоимость, по сравнению с коммерческими аналогами.

Источники:
1. Сабиров Т.Н., Смирнов М.А. Цифровой фазовращатель на основе программируемого таймера // Инженерный вестник Дона. – 2018. – № 2: [Электронный ресурс]. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4842. (Дата обращения: 29.09.2018).
2. Сабиров Т.Н. Синхронный детектор на основе секвентных фильтров // Инженерный вестник Дона. – 2018. – № 2: [Электронный ресурс]. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/5022. (Дата обращения: 29.09.2018).

Разработчик: Сабиров Т.Н. (Казанский национальный исследоват. технич. университет им. А.Н.Туполева), Смирнов М.А. (Казанский квантовый центр)